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JP2008159420A - Composite titanium material that can maintain low contact resistance over a long period of time - Google Patents

Composite titanium material that can maintain low contact resistance over a long period of time Download PDF

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JP2008159420A
JP2008159420A JP2006347382A JP2006347382A JP2008159420A JP 2008159420 A JP2008159420 A JP 2008159420A JP 2006347382 A JP2006347382 A JP 2006347382A JP 2006347382 A JP2006347382 A JP 2006347382A JP 2008159420 A JP2008159420 A JP 2008159420A
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titanium
contact resistance
network
composite titanium
titanium material
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JP2006347382A
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Japanese (ja)
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Kenji Orito
賢治 織戸
Toshiharu Hayashi
年治 林
Masahiro Wada
正弘 和田
Reiko Izumi
礼子 泉
Koji Hoshino
孝二 星野
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Mitsubishi Materials Corp
Original Assignee
Mitsubishi Materials Corp
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Abstract

【課題】長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材を提供する。

【解決手段】チタン基体表面4にAuが網目状に連続して拡散接合により固着しており、このチタン基体表面に固着した網目状AuのAu網5とAu網5の隙間に酸化Ti層3が形成されており、網目状AuのAu網5の幅は少なくとも一箇所は0.300〜10000nmの範囲内にあり、前記網目状AuのAu網5と隣のAu網5の隙間に形成されている酸化Ti層3は、厚さ:30〜150nmの範囲内にある。
【選択図】図1
A composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time is provided.

SOLUTION: Au continuously adheres to a titanium substrate surface 4 in a network form by diffusion bonding, and a Ti oxide layer 3 is formed in a gap between the Au mesh 5 and the Au mesh 5 of the mesh Au adhered to the titanium substrate surface. The width of the Au network 5 of the mesh-like Au is at least in a range of 0.300 to 10,000 nm, and is formed in a gap between the Au network 5 of the mesh-like Au and the adjacent Au mesh 5. The oxidized Ti layer 3 is in a thickness range of 30 to 150 nm.
[Selection] Figure 1

Description

この発明は、チタン基体の表面にAuが網目状に連続して広がっており、この網目状Auがチタン基体に拡散接合している長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材に関するものであり、この複合チタン材は特に固体高分子形燃料電池のセパレータ材として使用されるものである。   The present invention is a composite titanium material in which Au is continuously spread in a network shape on the surface of a titanium substrate, and this network Au is diffusion-bonded to the titanium substrate and the contact resistance can be kept low over a long period of time. This composite titanium material is particularly used as a separator material for a polymer electrolyte fuel cell.

一般に、固体高分子形燃料電池は、電解質の片面に触媒を伴った導電性多孔質体からなる空気極と電解質のもう一方の片面に同じく触媒を伴った導電性多孔質体からなる燃料極とを積層した構造を有しており、かかる構造を有する固体高分子形燃料電池はセパレータを介して複数個重ねた構造を有している。空気極と第一セパレータが接しており、燃料極と第二セパレータがそれぞれ接しており、その接触抵抗は低いことが必要である。一般に、セパレータとしてはカーボン板や金属板が使用され、空気極材および燃料極材を構成する導電性多孔質体としてはカーボンペーパーと呼ばれるカーボン繊維の不織布や多孔質金属などが用いられている。金属板を使用するセパレータとして、近年、チタン板が用いられるようになってきた。しかし、チタン板は通常表面に電気抵抗の高い酸化被膜で被覆されているために接触抵抗が大きく、これを改善するためにチタン板表面にAuをメッキなどにより被覆した複合チタン板を固体高分子形燃料電池用セパレータとして使用されようとしている。このAuを被覆した複合チタン板は熱処理して接触抵抗の低減を図っている(特許文献1参照)。   In general, a polymer electrolyte fuel cell includes an air electrode made of a conductive porous body with a catalyst on one side of an electrolyte, and a fuel electrode made of a conductive porous body with the same catalyst on the other side of the electrolyte. The polymer electrolyte fuel cell having such a structure has a structure in which a plurality of layers are stacked via separators. The air electrode and the first separator are in contact with each other, the fuel electrode and the second separator are in contact with each other, and the contact resistance must be low. In general, a carbon plate or a metal plate is used as a separator, and a carbon fiber nonwoven fabric or a porous metal called carbon paper is used as a conductive porous body constituting an air electrode material and a fuel electrode material. In recent years, titanium plates have come to be used as separators using metal plates. However, since the titanium plate is usually coated with an oxide film with high electrical resistance on the surface, the contact resistance is large, and in order to improve this, a composite titanium plate coated with Au on the titanium plate surface by plating or the like is used as a solid polymer. It is about to be used as a separator for fuel cell. This composite titanium plate coated with Au is heat-treated to reduce contact resistance (see Patent Document 1).

さらに、前記チタン板の表面にAu膜を形成する方法として、チタン板の表面に形成されている酸化Ti膜を除去したのちAuを付着させる方法が知られている(特許文献2参照)。 Further, as a method of forming an Au film on the surface of the titanium plate, a method of attaching Au after removing the Ti oxide film formed on the surface of the titanium plate is known (see Patent Document 2).

しかし、従来のAuメッキ層を形成した複合チタン板は、Auメッキ層をチタン板表面全体に均一に被覆したものであり、高価なAuを大量に使用することから、この従来のAuメッキした複合チタン板を使用したセパレータはコストがかかる。これを解決するために、近年、チタン基体の表面に、直径:1〜100nmを有し、厚さが1〜30nmを有する島状のAu粒を点在させてメッキすることにより導電性を付与すると同時に使用するAu量を少なくしてコストを下げた複合チタン材が提案されている(特許文献3参照)。
特開2004−134276号公報 特開2001−6713号公報 特開2006−97088号公報
However, the conventional composite titanium plate on which the Au plating layer is formed is obtained by uniformly coating the entire surface of the titanium plate with an Au plating layer, and since a large amount of expensive Au is used, this conventional Au plated composite A separator using a titanium plate is expensive. In order to solve this problem, in recent years, the surface of a titanium substrate is plated with island-shaped Au grains having a diameter of 1 to 100 nm and a thickness of 1 to 30 nm. At the same time, a composite titanium material has been proposed in which the amount of Au used is reduced to reduce the cost (see Patent Document 3).
JP 2004-134276 A JP 2001-6713 A JP 2006-97088 A

しかし、前記従来のチタン基体の表面に直径:1〜100nm、厚さ:1〜30nmを有する島状のAu粒を点在させてメッキした複合チタン材は、確かに初期の接触抵抗は低下するものの、メッキした島状のAu粒はチタン基体との接合強度が十分でなく、したがって、激しい衝撃や振動を受けると剥がれることがあり、またこの従来の島状のAu粒を点在させてメッキした複合チタン材を固体高分子形燃料電池のセパレータとして500時間以上の長期に渡って使用すると接触抵抗が急激に上昇するという問題点があった。   However, in the case of a composite titanium material plated with island-like Au particles having a diameter of 1 to 100 nm and a thickness of 1 to 30 nm on the surface of the conventional titanium substrate, the initial contact resistance is certainly lowered. However, the plated island-shaped Au grains do not have sufficient bonding strength with the titanium substrate, and therefore may peel off when subjected to severe impacts or vibrations, and the conventional island-shaped Au grains are scattered and plated. When the composite titanium material is used as a separator for a polymer electrolyte fuel cell for a long period of 500 hours or more, there is a problem that the contact resistance rapidly increases.

そこで、本発明者らは、従来のチタン基体の表面に直径:1〜100nm、厚さ:1〜30nmを有する島状のAu粒を点在させた複合チタン材の欠点を改善すべく研究を行なった。その結果、
(イ)Auとチタン基体における下地の金属チタンとを拡散接合させることによりAuとチタン基体との接合を一層強固なものとすることができる、
(ロ)チタン基体の表面に形成されるAuはそれぞれ独立している島状よりも連続している網目状とすることにより、Auが一箇所で剥離しても他の部分で下地の金属チタンと接合しているから、チタン基体の表面に形成されている網目状Auは全体としてAuと下地の金属チタンとは導通状態にあり、接触抵抗が上昇することはない、
(ハ)前記網目状AuのAu網の幅は狭すぎると、長期に渡って硫酸水溶液中に浸漬した場合、接触抵抗が増加するところから、Au網の幅は少なくとも一箇所は300〜10000nmの範囲内にあることが必要である、
(ニ)前記Au網の幅が少なくとも一箇所は300〜10000nmを有する網目状Auが拡散接合により固着し、この固着した網目状Auを構成するAu網と隣のAu網との隙間に形成する酸化Ti層の厚さは30〜150nmの範囲内の通常よりも厚い酸化Ti層であることが、長期に渡って低接触抵抗を維持するには好ましいこと、
(ホ)前記チタン基体の表面にAuが網目状に連続して拡散接合により固着しており、この固着した網目状Auを構成するAu網と隣のAu網との隙間には酸化Ti層が形成されている複合チタン材を固体高分子形燃料電池のセパレータ材として適用した場合、長期に渡って接触抵抗を低く維持することができること、
などの知見を得たのである。
Therefore, the present inventors have studied to improve the defects of the composite titanium material in which island-like Au particles having a diameter of 1 to 100 nm and a thickness of 1 to 30 nm are scattered on the surface of a conventional titanium substrate. I did it. as a result,
(A) The bonding between Au and the titanium substrate can be made stronger by diffusion bonding of Au and the underlying metal titanium in the titanium substrate.
(B) The Au formed on the surface of the titanium substrate is a continuous network rather than the islands that are independent of each other. As a whole, the network Au formed on the surface of the titanium substrate is in a conductive state between Au and the underlying metal titanium, and the contact resistance does not increase.
(C) If the Au network width of the network Au is too narrow, the contact resistance increases when immersed in a sulfuric acid aqueous solution for a long period of time. Therefore, the Au network width is 300 to 10,000 nm at least in one place. Must be within range,
(D) A network-like Au having a width of 300 to 10,000 nm is fixed by diffusion bonding at least at one place, and is formed in a gap between an Au network constituting the fixed network-like Au and an adjacent Au network. The thickness of the oxidized Ti layer is preferably an oxidized Ti layer that is thicker than usual in the range of 30 to 150 nm, in order to maintain a low contact resistance over a long period of time,
(E) Au is continuously adhered to the surface of the titanium base by a diffusion bonding, and a Ti oxide layer is formed in a gap between the Au net constituting the fixed network Au and the adjacent Au net. When the formed composite titanium material is applied as a separator material for a polymer electrolyte fuel cell, the contact resistance can be kept low over a long period of time.
I got the knowledge such as.

この発明は、これら知見に基づいてなされたものであって、
(1)チタン基体の表面にAuが網目状に連続して拡散接合により固着しており、この固着した網目状Auを構成するAu網と隣のAu網との隙間には酸化Ti層が形成されている長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材。
(2)前記網目状AuのAu網の幅は少なくとも一箇所が300〜10000nmの範囲内にある前記(1)記載の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材、
(3)前記網目状AuのAu網と隣のAu網との隙間に形成されている酸化Ti層は、厚さ:30〜150nmの範囲内にある前記(1)または(2)記載の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材、
(4)前記(1)、(2)または(3)記載の複合チタン材からなる長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材からなる燃料電池用セパレータ、に特長を有するものである。
This invention was made based on these findings,
(1) Au continuously adheres to the surface of the titanium substrate in a network form by diffusion bonding, and a Ti oxide layer is formed in the gap between the Au network constituting the fixed network Au and the adjacent Au network. A composite titanium material that can maintain low contact resistance over a long period of time.
(2) The composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time as described above in (1), wherein the width of the Au network of the network Au is at least one place is in the range of 300 to 10000 nm;
(3) The long-term oxide film according to (1) or (2), wherein the Ti oxide layer formed in the gap between the Au network of the network Au and the adjacent Au network has a thickness in the range of 30 to 150 nm. Composite titanium material that can maintain low contact resistance over
(4) A fuel cell separator made of a composite titanium material that can maintain a low contact resistance over a long period of time, made of the composite titanium material described in (1), (2), or (3). It is.

次に、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材およびその製造方法を図面に基づいて説明する。
図1は、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成された網目状Auの電子顕微鏡組織の写生図である。
図2は、下記に示す実施例1で作製したこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成されている網目状Auの電子顕微鏡組織写真である。
図3は、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の断面説明図である。
図4〜6は、図3に示されるこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の製造方法を説明するための断面説明図である。

図7は、複合チタン材の表面に形成されている網目状AuのAu網の幅が小さいと硫酸水溶液に長時間浸漬した場合に接触抵抗が増加することを説明するための断面説明図である。
図8は、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成されている網目状AuにおけるAu網の幅は少なくとも一箇所は300〜10000nmの範囲内にあり、かつこのAu網と隣のAu網の間に厚さ:30〜150nmの範囲内にある酸化Ti層3形成されていることが好ましいことを説明するための断面説明図である。
Next, a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time and a manufacturing method thereof will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a copy of an electron microscopic structure of a reticulated Au formed on the surface of a composite titanium material that can maintain a low contact resistance over a long period of time.
FIG. 2 is an electron micrograph of a network of Au formed on the surface of a composite titanium material that can be maintained for a long period of time according to the present invention produced in Example 1 shown below.
FIG. 3 is a cross-sectional explanatory view of a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of the present invention.
FIGS. 4-6 is sectional explanatory drawing for demonstrating the manufacturing method of the composite titanium material which can maintain contact resistance low over the long term of this invention shown by FIG.

FIG. 7 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining that the contact resistance increases when immersed in a sulfuric acid aqueous solution for a long time when the width of the Au mesh of the network Au formed on the surface of the composite titanium material is small. .
FIG. 8 shows that the width of the Au network in the network Au formed on the surface of the composite titanium material that can maintain the contact resistance low over a long period of the present invention is within a range of 300 to 10,000 nm at least at one place. FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining that it is preferable that a Ti oxide layer 3 having a thickness in a range of 30 to 150 nm is formed between the Au net and the adjacent Au net.

この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材は、図1の写生図および図2の電子顕微鏡組織写真に示されるように、チタン基体の表面に網目状Auが形成されていることが特徴の一つである。このAuがチタン基体の表面に連続的に網目状に形成されていることによりAuの一部がチタン基体の下地である金属チタンから離れても、Auは網目状に繋がっているので、Auの他の部分がチタン基体の下地である金属チタンと接合していれば、全体として接触抵抗が増加することがない。例えば、図1に示されるように、チタン基体の表面に網目状Auが形成されており、この網目状AuのAu網5は隣のAu網5と連続しているから、Au網5の幅が狭い部分aがあって、その狭い部分aが硫酸水溶液などに長期間浸漬して金属チタン2と離れていても、剥離しにくいAu網5の幅が広い部分bと連続していることから、長期に渡って硫酸水溶液などに浸漬しても接触抵抗が増加することはない。この剥離しにくいAu網5の幅が広い部分bは網目状Auに少なくとも1箇所存在すればよく、その幅は300〜10000nmの範囲内にあることが好ましい。この幅を300〜10000nmに限定した理由は後述する。 The composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time according to the present invention has a mesh-like Au formed on the surface of the titanium substrate as shown in the drawing of FIG. 1 and the electron micrograph of FIG. It is one of the features. Since this Au is continuously formed in a mesh shape on the surface of the titanium substrate, even if a part of Au is separated from the metal titanium which is the base of the titanium substrate, the Au is connected in a mesh shape. If other portions are bonded to titanium metal which is the base of the titanium substrate, the contact resistance as a whole does not increase. For example, as shown in FIG. 1, a network Au is formed on the surface of a titanium substrate, and the Au network 5 of the network Au is continuous with the adjacent Au network 5. There is a narrow portion a, and even if the narrow portion a is immersed in a sulfuric acid aqueous solution for a long time and separated from the metal titanium 2, it is continuous with the wide portion b of the Au net 5 that is difficult to peel off. Even when immersed in a sulfuric acid aqueous solution for a long time, the contact resistance does not increase. The width b of the Au net 5 that is difficult to peel off may be at least one in the network Au, and the width is preferably in the range of 300 to 10,000 nm. The reason why this width is limited to 300 to 10000 nm will be described later.

次に、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の製造方法を図4〜6に基づいて説明する。図4〜6は例えば図1のA−A断面図であり、5はチタン基体の表面に形成されたAu網の断面を示している。
まず、通常の純チタン板からなるチタン基体を用意する。この通常のチタン板からなるチタン基体1は、図4に示されるように、金属チタン2の表面に厚さ:数nmの自然発生酸化Ti膜4が形成されている。このチタン基体の表面に形成されている自然発生酸化Ti層4の上に超微細なAu粒子が懸濁したAuコロイド液を塗布したのち可及的に短時間の内に乾燥すると、自然発生酸化Ti層4の上に超微細なAu粉末の凝集体が網目状に付着する。この時、超微細なAu粒子が懸濁したAuコロイド液は塗布後乾燥すると凝集体となって付着する。チタン基体に形成されている自然発生酸化Ti層4の上に塗布するAuコロイド液は、表面積の20〜80%となるように塗布する。塗布量が20%よりも少ないと、Auコロイド液は網目状に塗布されずに粒状に塗布され、一方、80%を越えるとAuの密着性が弱くなり剥離しやすくなってしまうので好ましくないからである。
Next, the manufacturing method of the composite titanium material which can maintain a contact resistance low over the long term of this invention is demonstrated based on FIGS. 4 to 6 are, for example, AA cross-sectional views in FIG. 1, and 5 indicates a cross section of the Au net formed on the surface of the titanium substrate.
First, a titanium substrate made of a normal pure titanium plate is prepared. As shown in FIG. 4, the titanium substrate 1 made of this normal titanium plate has a spontaneously generated Ti oxide film 4 having a thickness of several nanometers formed on the surface of the metal titanium 2. When a colloidal Au solution in which ultrafine Au particles are suspended is applied on the naturally-occurring oxidized Ti layer 4 formed on the surface of the titanium substrate and then dried in as short a time as possible, the spontaneously-oxidized Agglomerates of ultrafine Au powder adhere to the Ti layer 4 in a network form. At this time, the Au colloid liquid in which ultrafine Au particles are suspended adheres as an aggregate when dried after coating. The Au colloid liquid applied on the spontaneously generated oxidized Ti layer 4 formed on the titanium substrate is applied so as to be 20 to 80% of the surface area. If the coating amount is less than 20%, the Au colloid liquid is applied in a granular form without being applied in a mesh form. On the other hand, if it exceeds 80%, the adhesiveness of Au is weakened and it is easy to peel off. It is.

前記Auコロイド液を塗布したのち可及的の短時間の内に乾燥し、次いでこれを真空雰囲気中、温度:300℃以上に加熱保持すると、まず、図5に示されるように、自然発生酸化Ti層4の酸素が金属チタン2に拡散固溶させられてチタン基体の表面が金属チタンとなる。さらに引き続いて同じ条件で加熱すると、図6に示されるように、Au網5が金属チタン2と拡散接合部6を形成して拡散接合し、表面に強固に固着する。
このAu網5が金属チタン2の表面に拡散接合により強固に固着した状態でさらに大気中に放置した後さらに大気中など酸化雰囲気中で加熱することにより、図3に示されるように、チタン基体1における金属チタン2の表面にAu網5が拡散接合部6を形成して固着するとともに、Au網5が存在しない部分の金属チタン表面に自然発生酸化Ti層4よりも厚さの厚い厚さ:30〜150nmを有する酸化Ti層3が形成され、この厚さの厚い酸化Ti層3はAu網5を包み込むように形成されるから、Au網5はチタン基体における金属チタンに対して一層強固に固着したこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材を作製することができる。図3において、5はこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成されたAu網の断面を示している。
酸化Ti層3は大気中など酸化雰囲気中に放置しても形成することができるが、その厚さは数nm以下であり、かかる薄い酸化Ti層が形成されている複合チタン材は固体高分子形燃料電池のセパレータとして使用すると短期間で接触抵抗が上昇する。したがって、この発明の複合チタン材では大気中など酸化雰囲気中で加熱することにより酸化Ti層3の厚さを増加させ、酸化Ti層の厚さを30〜150nmにしている。酸化Ti層の厚さを30〜150nmにした理由は後述する。
When the Au colloid solution is applied and dried in as short a time as possible, and then heated and held at a temperature of 300 ° C. or higher in a vacuum atmosphere, first, spontaneous oxidation is performed as shown in FIG. Oxygen in the Ti layer 4 is diffused and dissolved in the metal titanium 2 so that the surface of the titanium substrate becomes metal titanium. When further heated under the same conditions, the Au net 5 is diffused and bonded to the surface by forming the metal titanium 2 and the diffusion bonding portion 6 as shown in FIG.
When this Au net 5 is firmly fixed to the surface of the metal titanium 2 by diffusion bonding and further left in the air, the Au net 5 is further heated in an oxidizing atmosphere such as the air, so that a titanium substrate is obtained as shown in FIG. The Au net 5 forms a diffusion junction 6 on the surface of the metal titanium 2 in FIG. 1 and adheres to the surface of the metal titanium 2 where the Au net 5 does not exist. : The oxidized Ti layer 3 having a thickness of 30 to 150 nm is formed, and the thick oxidized Ti layer 3 is formed so as to wrap around the Au net 5, so that the Au net 5 is stronger than the metal titanium on the titanium substrate. A composite titanium material that can maintain a low contact resistance over a long period of time of the present invention can be produced. In FIG. 3, 5 shows a cross section of the Au net formed on the surface of the composite titanium material that can keep the contact resistance low over a long period of time.
The Ti oxide layer 3 can be formed even if it is left in an oxidizing atmosphere such as the air, but its thickness is several nm or less, and the composite titanium material on which such a thin oxidized Ti layer is formed is a solid polymer. When used as a separator for a fuel cell, the contact resistance increases in a short period of time. Therefore, in the composite titanium material of the present invention, the thickness of the oxidized Ti layer 3 is increased by heating in an oxidizing atmosphere such as the air, and the thickness of the oxidized Ti layer is set to 30 to 150 nm. The reason why the thickness of the oxidized Ti layer is 30 to 150 nm will be described later.

表面に幅:300nm未満の幅の狭いAu網5からなる網目状Auが形成されている複合チタン材は、これを硫酸水溶液などに浸漬した場合、短期間で接触抵抗が増加する理由を図7〜8に基づいて説明する。なお、図7において5は複合チタン材の表面に形成されている幅の狭い1本のAu網を表しており、一方、図8において5は複合チタン材の表面に形成されている幅の広い1本のAu網を表している。
幅の狭いAu網5からなる網目状Auが形成されている複合チタン材を固体高分子形燃料電池の環境と同じ硫酸溶液中に浸漬すると、図7(a)に示されるように、酸化Ti層3が成長して厚さTがますます厚くなる。酸化Ti層3の厚さTが成長して厚くなると、酸化Ti層3は幅の狭いAu網5の周囲から幅の狭いAu網5の下に潜り込んで成長し、図7(b)に示されるように、幅の狭いAu網5を酸化Ti層3の表面に押し上げる。この現象がさらに進行すると、図7(c)に示されるように、幅の狭いAu網5は押し上げられて下地の金属チタン2から引き離され、幅の狭いAu網5と下地の金属チタン2の間に酸化Ti層3が介在するようになり、最終的に拡散接合部6は吸収されて消滅し、接触抵抗が増加するようになる。
FIG. 7 shows the reason why the contact resistance increases in a short period of time when the composite titanium material having a network-like Au made of a narrow Au net 5 having a width of less than 300 nm on the surface is immersed in a sulfuric acid aqueous solution or the like. Description will be made based on ˜8. In FIG. 7, 5 represents one narrow Au net formed on the surface of the composite titanium material, while 5 in FIG. 8 represents a wide width formed on the surface of the composite titanium material. One Au net is shown.
When the composite titanium material in which the network Au made of the narrow Au net 5 is formed is immersed in the same sulfuric acid solution as the environment of the polymer electrolyte fuel cell, as shown in FIG. Layer 3 grows and thickness T becomes increasingly thicker. When the thickness T of the oxidized Ti layer 3 grows and becomes thicker, the oxidized Ti layer 3 grows from the periphery of the narrow Au net 5 into the narrow Au net 5 and is shown in FIG. 7B. As shown, the narrow Au net 5 is pushed up to the surface of the oxidized Ti layer 3. When this phenomenon further proceeds, as shown in FIG. 7C, the narrow Au net 5 is pushed up and separated from the underlying metal titanium 2, and the narrow Au net 5 and the underlying metal titanium 2 are separated. The Ti oxide layer 3 is interposed therebetween, and finally the diffusion junction 6 is absorbed and disappears, and the contact resistance increases.

しかし、図8に示されるように、Au網5の幅Sが大きいと、酸化Ti層3の厚さTが成長してAu網5の周囲からAu網5の下に潜り込んで成長しても、図7(c)に示されるように、Au網5は金属チタン2から引き離されるまでには極めて長期間を要し、通常の使用期間内ではAu網5はチタン基体の金属チタン2から引き離されて接触抵抗が増加することはない。前記Au網5の幅Sは300nm未満では硫酸水溶液中に保持されると比較的短期間で接触抵抗が増加するようになるので、Au網5の幅Sは300nm以上とすることが好ましく、一方、Au網5の幅Sが10000nmを越えるようになると、Au網5を酸化Ti層3により囲い込んで固定する力が弱くなって密着性が低下し、長期間衝撃や振動などを受けると剥離し、その結果接触抵抗が低下するようになるので好ましくない。
したがって、この発明の複合チタン材の表面に形成されている網目状AuにおけるAu網5の幅は少なくとも1箇所は300〜10000nmの範囲内にあることが好ましい。
However, as shown in FIG. 8, if the width S of the Au net 5 is large, the thickness T of the oxidized Ti layer 3 grows, and even if the Au net 5 grows by being buried under the Au net 5 from the periphery of the Au net 5. As shown in FIG. 7 (c), it takes a very long time for the Au net 5 to be separated from the metal titanium 2, and the Au net 5 is separated from the metal titanium 2 of the titanium base within a normal use period. This will not increase the contact resistance. If the width S of the Au network 5 is less than 300 nm, the contact resistance increases in a relatively short period when held in a sulfuric acid aqueous solution. Therefore, the width S of the Au network 5 is preferably 300 nm or more. When the width S of the Au net 5 exceeds 10000 nm, the force for enclosing and fixing the Au net 5 with the oxidized Ti layer 3 is weakened and the adhesion is lowered. As a result, the contact resistance decreases, which is not preferable.
Therefore, it is preferable that at least one width of the Au net 5 in the net-like Au formed on the surface of the composite titanium material of the present invention is in the range of 300 to 10,000 nm.

一方、酸化Ti層3の厚さTが30nm以上になると、硫酸水溶液中における酸化Ti層3の成長が急激に遅くなり、硫酸水溶液中に長期に渡って放置されても接触抵抗が増加することはなく酸化Ti層3の厚さの成長が遅くなって長期に渡って硫酸水溶液に浸漬しても接触抵抗が増加することはない。したがって、接触抵抗の増加を抑制する手段として、大気雰囲気中で加熱する熱処理を施すことが不可欠であり、この熱処理工程で酸化Ti層3の厚さを30nm以上とすることが好ましい。しかし、大気中熱処理を長時間行なって酸化Ti層3の厚さTが150nmを越えるようになると、初期抵抗値が増加するようになるので好ましくない。したがって、この発明の複合チタン材の表面に形成されているAu網5と隣のAu網5の間のチタン基体の表面に形成されている酸化Ti層3の厚さTは30〜150nmの範囲内にあることが好ましい。
すなわち、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材に形成されるAu網5の幅Sは300〜10000nmの範囲内であり、かつ酸化Ti層3の厚さTは30〜150nmの範囲内にあることが一層好ましい。
On the other hand, when the thickness T of the oxidized Ti layer 3 is 30 nm or more, the growth of the oxidized Ti layer 3 in the sulfuric acid aqueous solution is abruptly slowed, and the contact resistance increases even if left in the sulfuric acid aqueous solution for a long time. The growth of the thickness of the oxidized Ti layer 3 is slow, and the contact resistance does not increase even when immersed in a sulfuric acid aqueous solution for a long time. Therefore, it is indispensable to perform a heat treatment that is heated in an air atmosphere as a means for suppressing an increase in contact resistance. In this heat treatment step, the thickness of the Ti oxide layer 3 is preferably set to 30 nm or more. However, if the thickness T of the oxidized Ti layer 3 exceeds 150 nm after long-time heat treatment in the atmosphere, the initial resistance value increases, which is not preferable. Therefore, the thickness T of the oxidized Ti layer 3 formed on the surface of the titanium substrate between the Au net 5 formed on the surface of the composite titanium material of the present invention and the adjacent Au net 5 is in the range of 30 to 150 nm. It is preferable to be within.
That is, the width S of the Au net 5 formed in the composite titanium material that can keep the contact resistance low over the long term of the present invention is in the range of 300 to 10000 nm, and the thickness T of the oxidized Ti layer 3. Is more preferably in the range of 30 to 150 nm.

前述のように、この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材を製造するには、チタン基体として純チタン板であることが好ましいが、これに限定されるものではなく、網目状Auを形成することができる面積を有する面を持ったチタン基体であればいかなるものであってもよい。例えば、網目状Auを形成することができる面積を有する表面に開口し内部の空孔に連続している連続空孔と骨格からなる多孔質チタン、チタン繊維を焼結した繊維焼結チタン、チタン粉末を焼結して得られた焼結チタンなどいかなる形状および構造を有するチタン基体であってもよい。 As described above, in order to produce a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time, it is preferable that the titanium substrate is a pure titanium plate, but the present invention is not limited to this. However, any titanium substrate having a surface having an area capable of forming a reticulated Au may be used. For example, porous titanium composed of continuous pores and a skeleton that are open on the surface having an area where mesh-like Au can be formed and are continuous with the internal pores, and fiber sintered titanium obtained by sintering titanium fibers, titanium It may be a titanium substrate having any shape and structure such as sintered titanium obtained by sintering powder.

この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材は、チタン基体表面にAu網が拡散接合により固着しているところから、チタン基体表面の全面にAuメッキ膜を形成した場合に比べてAuの使用量が少なく、したがって、固体高分子形燃料電池のセパレータとしてコストを下げることができ、さらにチタン基体表面に固着したAu網はその周囲を厚い酸化Ti層で覆われているので振動などで外部圧力が加わっても変形したり脱落したりすることが無く、さらに硫酸水溶液などの腐食性水溶液に浸漬していても、長期に渡って接触抵抗の低い状態を保持することができ、固体高分子形燃料電池などの性能の向上に大いに貢献し得るものである。   The composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time of the present invention has an Au plating film formed on the entire surface of the titanium substrate since the Au net is fixed to the surface of the titanium substrate by diffusion bonding. Compared to the case, the amount of Au used is small, so the cost can be reduced as a separator for a polymer electrolyte fuel cell, and the Au net fixed to the surface of the titanium base is covered with a thick Ti oxide layer. Even if it is immersed in a corrosive aqueous solution such as sulfuric acid aqueous solution, it does not deform or drop out even when external pressure is applied due to vibration etc. And can greatly contribute to the improvement of the performance of a polymer electrolyte fuel cell or the like.

厚さ:0.3mmを有する市販の純チタン板を用意し、この純チタン板を縦:30mm、横:30mmになるように切断し、チタン基体を作製した。
さらに、下記の方法でAuコロイド液を作製し用意した。Au粒子の主成分となる塩化金酸を、保護剤前駆体としてγ−アミノプロピルトリエトキシシランを、還元剤としてジメチルアミンボランをそれぞれ用意し、まず、Au濃度が4.0質量%になるように、メタノールに溶解した。ついで、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン:8.00gとアセチルアセトン:12.00gに、先に塩化金酸を溶解したメタノール溶液を徐々に投入して混合溶液を調製し、この混合溶液に還元剤であるジメチルアミンボランを適量添加した。還元は混合溶液の温度を60℃に保温し、混合溶液をマグネチックスターラーで撹拌しながら行なった。還元反応を終えた混合溶液を室温にまで冷却し、冷却後、混合溶液を限外濾過法により脱塩を行い、水を適宜添加して濃度を調整することにより水を分散媒とした50質量%濃度のAuコロイド液を得た。
A commercially available pure titanium plate having a thickness of 0.3 mm was prepared, and this pure titanium plate was cut to have a length of 30 mm and a width of 30 mm to prepare a titanium substrate.
Further, an Au colloid solution was prepared and prepared by the following method. Prepare chloroauric acid as the main component of Au particles, γ-aminopropyltriethoxysilane as a protective agent precursor, and dimethylamine borane as a reducing agent. First, the Au concentration is 4.0% by mass. And dissolved in methanol. Next, a methanol solution in which chloroauric acid was first dissolved was gradually added to γ-aminopropyltriethoxysilane: 8.00 g and acetylacetone: 12.00 g, and a mixed solution was prepared. An appropriate amount of certain dimethylamine borane was added. The reduction was carried out while keeping the temperature of the mixed solution at 60 ° C. and stirring the mixed solution with a magnetic stirrer. The mixed solution after the reduction reaction is cooled to room temperature, and after cooling, the mixed solution is desalted by an ultrafiltration method, and water is added as a dispersion medium by appropriately adding water to adjust the concentration. % Concentration of Au colloidal solution was obtained.

実施例1
得られたAuコロイド液を先に用意したチタン基体にスプレーにて塗布することを繰り返すことによりチタン基体の表面を表1〜2に示される割合で覆うように前記Auコロイド液を塗布し、直ちに乾燥させることによりチタン基体の表面に網目状Auを付着させた。このチタン基体の表面に網目状Auが付着している状態で、真空雰囲気中、表1〜2に示される温度で1時間保持の加熱処理を施したのち、大気中、表1〜2に示される温度で10分間保持の熱処理を行うことにより、チタン基体の表面に網目状Auが拡散接合して固着している本発明複合チタン材1〜20および比較複合チタン材1〜4を作製した。
本発明複合チタン材1〜20および比較複合チタン材1〜4の表面を電子顕微鏡で観察した結果、これらの表面にはいずれも網目状Auが形成されていた。本発明複合チタン材5の電子顕微鏡写真を図2に示した。
さらに本発明複合チタン材1〜20および比較複合チタン材1〜4の表面に形成されている網目状AuのAu網の最大幅を測定し、さらにAu網と隣のAu網の隙間に形成されている酸化Ti層の平均厚さを測定し、その結果を表1〜2に示した。
Example 1
The Au colloid solution was applied so as to cover the surface of the titanium substrate at a ratio shown in Tables 1 and 2 by repeating application of the obtained Au colloid solution to the previously prepared titanium substrate by spraying. Reticulated Au was adhered to the surface of the titanium substrate by drying. In a state where the reticulated Au is attached to the surface of the titanium substrate, heat treatment is performed for 1 hour at a temperature shown in Tables 1 and 2 in a vacuum atmosphere, and then shown in Tables 1 and 2 in the atmosphere. The composite titanium materials 1 to 20 of the present invention and the comparative composite titanium materials 1 to 4 in which the network Au was diffusion bonded and fixed to the surface of the titanium substrate were prepared by performing a heat treatment for 10 minutes at a temperature to be maintained.
As a result of observing the surfaces of the composite titanium materials 1 to 20 of the present invention and the comparative composite titanium materials 1 to 4 with an electron microscope, reticulated Au was formed on these surfaces. An electron micrograph of the composite titanium material 5 of the present invention is shown in FIG.
Furthermore, the maximum width of the Au network of the mesh-like Au formed on the surfaces of the present composite titanium materials 1 to 20 and the comparative composite titanium materials 1 to 4 is measured, and further formed in the gap between the Au net and the adjacent Au net. The average thickness of the oxidized Ti layer was measured, and the results are shown in Tables 1-2.

従来例1
先に用意したチタン基体の表面に通常の条件でAuメッキを施すことにより直径:35〜50nmを有する島状Au粒子が55面積%占めるように形成した従来複合チタン材1を作製した。
Conventional Example 1
A conventional composite titanium material 1 formed so that island-shaped Au particles having a diameter of 35 to 50 nm occupy 55 area% was prepared by performing Au plating on the surface of the previously prepared titanium base under normal conditions.

実施例1で作製した本発明複合チタン材1〜20および比較複合チタン材1〜4並びに従来例1で作製した従来複合チタン材1を用いて下記の燃料電池環境通電試験および振動試験を行なった。 The following fuel cell environmental energization test and vibration test were performed using the composite titanium materials 1 to 20 of the present invention and the comparative composite titanium materials 1 to 4 manufactured in Example 1 and the conventional composite titanium material 1 manufactured in Conventional Example 1. .

燃料電池環境通電試験:
本発明複合チタン材1〜20、比較複合チタン材1〜4および従来例1で作製した従来複合チタン材1をそれぞれ温度:50℃、pH=2に保持された硫酸水溶液に浸漬し、電位:800V(対水素基準)をかけながら100時間、500時間および1000時間経過後に取り出し、その後、蒸留水で十分に洗浄し、次いで大気中で乾燥させた。乾燥後、本発明複合チタン材1〜20、比較複合チタン材1〜4および従来複合チタン材1を縦:50mm、横:50mm、厚さ:10mmの寸法を有する銅板2枚で挟み、ばねを介して固定したのち、本発明複合チタン材1〜20、比較複合チタン材1〜4および従来複合チタン材1と銅板との面圧が1MPaになるようにばねを介して固定し、かかる状態で銅板間の抵抗を測定し、その値を接触抵抗値として表1〜2に示した。
Fuel cell environmental energization test:
The composite titanium materials 1 to 20 of the present invention, the comparative composite titanium materials 1 to 4 and the conventional composite titanium material 1 produced in the conventional example 1 are immersed in an aqueous sulfuric acid solution maintained at a temperature of 50 ° C. and a pH of 2, respectively. The sample was taken out after 100 hours, 500 hours and 1000 hours while applying 800 V (vs. hydrogen), then washed thoroughly with distilled water and then dried in the atmosphere. After drying, the composite titanium materials 1 to 20 of the present invention, the comparative composite titanium materials 1 to 4 and the conventional composite titanium material 1 are sandwiched between two copper plates having dimensions of 50 mm in length, 50 mm in width, and 10 mm in thickness, and a spring is sandwiched. In this state, the composite titanium materials 1 to 20 of the present invention, the comparative composite titanium materials 1 to 4 and the conventional composite titanium material 1 and the copper plate are fixed via a spring so that the surface pressure is 1 MPa. The resistance between copper plates was measured, and the value was shown in Tables 1-2 as the contact resistance value.

振動試験
本発明多孔質チタン1〜20、比較多孔質チタン1〜4および従来多孔質チタン1をそれぞれ縦:50mm、横:50mm、厚さ:10mmの寸法を有する銅板2枚で挟み、ばねを介して固定したのち、本発明多孔質チタン1〜20、比較多孔質チタン1〜4および従来多孔質チタン1と銅板との面圧が1MPaになるようにばねの撓みを調整した。かかる荷重がかかった状態で銅板間の抵抗を測定し、その値を振動試験前の接触抵抗として表1〜2に示した。
さらに、本発明多孔質チタン1〜20、比較多孔質チタン1〜4および従来多孔質チタン1をそれぞれ縦:50mm、横:50mm、厚さ:10mmの寸法を有する銅板2枚で挟み、ばねを介して固定したのち、本発明多孔質チタン1〜20、比較多孔質チタン1〜4および従来多孔質チタン1と銅板との面圧が1MPaになるようにばねの撓みを調整し荷重がかかった状態のまま振動試験機上に設置し、周波数:67Hz、振動加速度:70m/秒で2時間の振動試験を行った。振動試験後、その場で荷重がかかった状態で銅板間の抵抗を測定し、その値を振動試験後の接触抵抗として表1〜2に示した。
Vibration test The present porous titanium 1-20, comparative porous titanium 1-4, and conventional porous titanium 1 are sandwiched between two copper plates having dimensions of 50 mm in length, 50 mm in width, and 10 mm in thickness, respectively, and a spring is sandwiched between them. Then, the spring deflection was adjusted so that the contact pressure between the porous titanium 1 to 20 of the present invention, the comparative porous titanium 1 to 4 and the conventional porous titanium 1 and the copper plate was 1 MPa. The resistance between copper plates was measured in a state where such a load was applied, and the value was shown in Tables 1 and 2 as the contact resistance before the vibration test.
Further, the present invention porous titanium 1-20, comparative porous titanium 1-4, and conventional porous titanium 1 are sandwiched between two copper plates having dimensions of 50 mm in length, 50 mm in width, and 10 mm in thickness, respectively. After fixing, the spring deflection was adjusted and the load was applied so that the surface pressure between the porous titanium 1 to 20 of the present invention, the comparative porous titanium 1 to 4 and the conventional porous titanium 1 and the copper plate was 1 MPa. The sample was placed on the vibration tester in the state, and a vibration test was performed for 2 hours at a frequency of 67 Hz and a vibration acceleration of 70 m / sec 2 . After the vibration test, the resistance between the copper plates was measured with a load applied on the spot, and the value was shown in Tables 1 and 2 as the contact resistance after the vibration test.

Figure 2008159420
Figure 2008159420


Figure 2008159420
Figure 2008159420

表1〜2に示される結果から、本発明複合チタン材1〜20は従来複合チタン材1に比べて1000時間の燃料電池環境通電試験後の接触抵抗が格段に小さいことから、本発明複合チタン材1〜20は従来複合チタン材1に比べて長期に渡って使用しても接触抵抗を低く維持することができることがわかる。しかし、この発明の範囲から外れた比較複合チタン材1〜4は好ましくない値が得られることがわかる。   From the results shown in Tables 1 and 2, since the composite titanium materials 1 to 20 of the present invention have much lower contact resistance after 1000 hours of fuel cell environment energization test than the conventional composite titanium material 1, It can be seen that the materials 1 to 20 can maintain a low contact resistance even when used for a long time as compared with the conventional composite titanium material 1. However, it can be seen that the comparative composite titanium materials 1 to 4 deviating from the scope of the present invention provide unfavorable values.

この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成された網目状Auの電子顕微鏡組織の写生図である。It is a copy of the electron microscopic structure of the mesh-like Au formed on the surface of the composite titanium material that can keep the contact resistance low for a long period of the present invention. 実施例で作製したこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成された網目状Auの電子顕微鏡組織写真である。It is an electron microscopic structure photograph of reticulated Au formed on the surface of the composite titanium material which can maintain contact resistance low over the long term of this invention produced in an example. この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of the composite titanium material which can maintain a contact resistance low over the long term of this invention. 図3に示されるこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の製造方法を説明するための断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time shown in FIG. 図3に示されるこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の製造方法を説明するための断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time shown in FIG. 図3に示されるこの発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の製造方法を説明するための断面説明図である。FIG. 4 is a cross-sectional explanatory diagram for explaining a method of manufacturing a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time shown in FIG. 複合チタン材の表面に形成されている網目状AuのAu網の幅が小さいと硫酸水溶液に長時間浸漬すると接触抵抗が増加することを説明するための断面説明図である。It is sectional explanatory drawing for demonstrating that a contact resistance will increase when it immerses in sulfuric acid aqueous solution for a long time if the width | variety of Au net | network of mesh-like Au formed in the surface of a composite titanium material is small. この発明の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材の表面に形成されている網目状AuにおけるAu網の幅は少なくとも一箇所は300〜10000nmの範囲内にあることが好ましいことを説明するための断面説明図である。The width of the Au network in the network Au formed on the surface of the composite titanium material that can keep the contact resistance low over a long period of the present invention is preferably in the range of 300 to 10,000 nm at least at one place. It is sectional explanatory drawing for demonstrating this.

符号の説明Explanation of symbols

1:チタン基体、2:金属チタン、3:酸化Ti層、4:自然発生酸化Ti層、5:Au網、6:拡散接合部 1: Titanium substrate, 2: Titanium metal, 3: Ti oxide layer, 4: Ti oxide layer, 5: Au net, 6: Diffusion joint

Claims (4)

チタン基体の表面にAuが網目状に連続して拡散接合により固着しており、この固着した網目状Auを構成するAu網と隣のAu網との隙間には酸化Ti層が形成されていることを特徴とする長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材。 Au is continuously fixed to the surface of the titanium substrate by diffusion bonding, and a Ti oxide layer is formed in a gap between the Au network constituting the fixed network Au and the adjacent Au network. A composite titanium material that can maintain a low contact resistance over a long period of time. 前記網目状AuのAu網の幅は少なくとも一箇所が300〜10000nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1記載の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材。 2. The composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time, wherein at least one part of the network Au has a width of 300 to 10,000 nm. 前記網目状AuのAu網と隣のAu網との隙間に形成されている酸化Ti層は、厚さ:30〜150nmの範囲内にあることを特徴とする請求項1または2記載の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材。 The long-term oxide film according to claim 1 or 2, characterized in that the Ti oxide layer formed in the gap between the Au net of the mesh Au and the adjacent Au net has a thickness in the range of 30 to 150 nm. A composite titanium material that can maintain low contact resistance. 請求項1、2または3記載の長期に渡って接触抵抗を低く維持することができる複合チタン材からなる燃料電池用セパレータ。 4. A fuel cell separator comprising a composite titanium material capable of maintaining a low contact resistance over a long period of time.
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