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JP2017016929A - Titanium material for separator for solid polymer fuel battery - Google Patents

Titanium material for separator for solid polymer fuel battery Download PDF

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JP2017016929A
JP2017016929A JP2015133973A JP2015133973A JP2017016929A JP 2017016929 A JP2017016929 A JP 2017016929A JP 2015133973 A JP2015133973 A JP 2015133973A JP 2015133973 A JP2015133973 A JP 2015133973A JP 2017016929 A JP2017016929 A JP 2017016929A
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JP
Japan
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separator
titanium
titanium material
coating layer
substrate
Prior art date
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JP2015133973A
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Japanese (ja)
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樽谷 芳男
Yoshio Taruya
芳男 樽谷
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Nippon Steel Corp
Original Assignee
Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Application filed by Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp filed Critical Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a titanium material suitable for manufacturing a separator which is used for a cell of a solid polymer fuel battery and with which a surface modified layer is formed.SOLUTION: The titanium material comprises a substrate and a surface coating layer that is formed on an outermost layer on the substrate and contains Al as a main constituent. Surface roughness of the substrate is 0.12 to 4 μm in Ra value. The substrate contains Fe in 0.1 mass% or less and O in 0.11 mass% or less, and the remainder of the substrate consists of Ti and an impurity. Average thickness of the surface coating layer is 200 nm or more and 3 μm or less.SELECTED DRAWING: Figure 1B

Description

本発明は、自動車搭載用、家庭用等の電源として用いられる固体高分子形燃料電池のセパレータを製造するために用いるチタン材に関し、特に、表面改質層が形成されたセパレータを製造するために用いるチタン材に関する。   The present invention relates to a titanium material used for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell used as a power source for automobiles, home use, etc., and in particular, for producing a separator having a surface-modified layer formed thereon. It relates to the titanium material used.

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

これらの燃料電池のうち、200℃付近で動作するリン酸形燃料電池、および650℃付近で動作する溶融炭酸塩形燃料電池は、現在、商用段階に達している。さらに、近年の技術開発の進展により、室温付近で動作する固体高分子形燃料電池と、700℃以上で動作する固体電解質形燃料電池とが、自動車搭載用、または家庭用の小型電源として、市場に投入され始めている。   Among these fuel cells, phosphoric acid fuel cells operating near 200 ° C. and molten carbonate fuel cells operating near 650 ° C. have reached the commercial stage. In addition, due to recent technological development progress, polymer electrolyte fuel cells that operate near room temperature and solid electrolyte fuel cells that operate at 700 ° C. or higher are marketed as compact power sources for automobiles or home use. Has begun to be introduced.

図1Aは、燃料電池全体の斜視図であり、図1Bは、燃料電池セル(単セル)の分解斜視図である。
図1Aおよび図1Bに示すように、燃料電池1は単セルの集合体である。図1Bに示すように、単セルは、固体高分子電解質膜2の一面に燃料電極膜(アノード)3が、他面に酸化剤電極膜(カソード)4が積層され、その積層体の両面にセパレータ5a、5bが重ねられた構造を有する。固体高分子電解質膜2を構成する代表的な材料として、水素イオン(プロトン)交換基を有するフッ素系イオン交換樹脂膜がある。
FIG. 1A is a perspective view of the entire fuel cell, and FIG. 1B is an exploded perspective view of a fuel cell (single cell).
As shown in FIGS. 1A and 1B, the fuel cell 1 is an assembly of single cells. As shown in FIG. 1B, the unit cell has a fuel electrode membrane (anode) 3 laminated on one surface of the solid polymer electrolyte membrane 2 and an oxidant electrode membrane (cathode) 4 laminated on the other surface. The separators 5a and 5b are stacked. A typical material constituting the solid polymer electrolyte membrane 2 is a fluorine ion exchange resin membrane having a hydrogen ion (proton) exchange group.

燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4は、カーボン繊維から構成されるカーボンペーパー、またはカーボンクロスからなる拡散層と、拡散層の表面に設けられた触媒層とを備えている。触媒層は、粒子状の白金触媒と、触媒担持用カーボンと、水素イオン(プロトン)交換基を有するフッ素樹脂とを有する。固体高分子電解質膜2に、燃料電極膜3、および酸化剤電極膜4は、互いに貼り合わされて、一体的な部材(MEA;Membrane Electrode Assembly)として用いられる。   The fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 include a diffusion layer made of carbon paper or carbon cloth made of carbon fibers, and a catalyst layer provided on the surface of the diffusion layer. The catalyst layer includes a particulate platinum catalyst, catalyst-supporting carbon, and a fluororesin having a hydrogen ion (proton) exchange group. The fuel electrode film 3 and the oxidant electrode film 4 are bonded to the solid polymer electrolyte membrane 2 and used as an integral member (MEA; Membrane Electrode Assembly).

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

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

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

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

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

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

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

特許文献3には、ステンレス製セパレータと、チタン製セパレータとが開示されている。一般的に、チタン製セパレータは、カレントコレクターとなるカーボンペーパーとの接触抵抗が大きいために、燃料電池としてのエネルギー効率が大幅に低下する。特許文献3には、この問題を解消するため、チタン製セパレータにおいて、接触するカレントコレクター側の表面に、膜厚が5nm〜1000nmの貴金属をイオン蒸着法または電解メッキ法により付加することが記載されている。この場合、チタンとカレントコレクターとの間にはチタンの酸化皮膜が介在することになるが、セパレータは、貴金属層を介して、カレントコレクターに接触することになり、接触抵抗値が小さくなる。   Patent Document 3 discloses a stainless steel separator and a titanium separator. In general, a titanium separator has a large contact resistance with carbon paper serving as a current collector, so that the energy efficiency as a fuel cell is greatly reduced. Patent Document 3 describes that, in order to solve this problem, in a titanium separator, a noble metal having a film thickness of 5 nm to 1000 nm is added to the surface on the current collector side in contact by an ion vapor deposition method or an electrolytic plating method. ing. In this case, an oxide film of titanium is interposed between the titanium and the current collector, but the separator comes into contact with the current collector through the noble metal layer, and the contact resistance value becomes small.

特許文献4には、中間層と、中間層の上に形成された外層と、外層の上に形成された導電性を有する被覆層とからなる三層構造の金属層(いわゆる、「クラッド材」)で形成された固体高分子型燃料電池用セパレータが開示されている。中間層は、鉄、アルミニウム、銅、チタン、ステンレス鋼、合金等からなる。外層被覆層は、カーボン、導電性セラミクス、および金属粉末から選択される少なくとも1種からなる。導電性セラミクスについては、イオンプレーティング、スパッタリングなどのドライプロセスで成膜するとされている。導電性セラミクスの材質としては、タングステンカーバイド、窒化チタンなどが挙げられている。このような構成により、長期に渡り金属層の耐食性を保持し、セパレータの抵抗増大を抑制することができるとされている。   Patent Document 4 discloses a three-layer metal layer (so-called “clad material”) including an intermediate layer, an outer layer formed on the intermediate layer, and a conductive coating layer formed on the outer layer. ) Formed of a polymer electrolyte fuel cell separator. The intermediate layer is made of iron, aluminum, copper, titanium, stainless steel, alloy, or the like. The outer coating layer is made of at least one selected from carbon, conductive ceramics, and metal powder. With regard to conductive ceramics, it is assumed that the film is formed by a dry process such as ion plating or sputtering. Examples of conductive ceramic materials include tungsten carbide and titanium nitride. With such a configuration, it is said that the corrosion resistance of the metal layer can be maintained over a long period of time and an increase in the resistance of the separator can be suppressed.

特許文献5には、基体の表面の少なくとも電極に接する部分に、金属皮膜が形成されたセパレータが開示されている。基体は、ステンレス鋼と、アルミニウムおよびチタンから選択される1種以上を80質量%以上含む金属とのいずれかからなる。金属皮膜は、白金族元素、金、銀、銅、ニッケル、およびタングステンから選ばれる金属1種以上を含むとともに、導電性セラミクスを分散して含む。   Patent Document 5 discloses a separator in which a metal film is formed on at least a portion of a surface of a base that is in contact with an electrode. The substrate is made of any one of stainless steel and a metal containing 80% by mass or more of at least one selected from aluminum and titanium. The metal film includes one or more metals selected from platinum group elements, gold, silver, copper, nickel, and tungsten, and includes conductive ceramics dispersed therein.

特許文献5には、導電性セラミクスとして、金属のホウ化物、炭化物、ケイ化物、またはリン化物からなるものと、炭化チタン、ホウ化チタン、窒化チタン、ケイ化タングステン、または窒化タンタルからなるものとが示されている。金属皮膜は、たとえば、イオンプレーティング法、CVD法、スパッタ法などのPVD法といった薄膜形成法で作製される。このような構成により、このセパレータは、形状安定性に優れ、成形加工が容易で、かつ長期間安定して導電性能を維持できるとされている。   Patent Document 5 discloses that the conductive ceramics are made of metal boride, carbide, silicide, or phosphide, and are made of titanium carbide, titanium boride, titanium nitride, tungsten silicide, or tantalum nitride. It is shown. The metal film is produced by a thin film forming method such as a PVD method such as an ion plating method, a CVD method, or a sputtering method. With such a configuration, this separator is said to be excellent in shape stability, easy to be molded, and stably maintained for a long period of time.

特開平10−228914号公報JP-A-10-228914 特開平8−180883号公報JP-A-8-180883 特許第5047408号公報Japanese Patent No. 5047408 特許第3723515号公報Japanese Patent No. 3723515 特許第4010036号公報Japanese Patent No. 4010036

セパレータの接触抵抗を低減する等の目的で、燃料電池に組み込む前に、セパレータに表面改質処理を施すことがある。表面改質処理の例として、セパレータの表面を清浄にするためのプラズマ処理(たとえば、ボンバード処理)、セパレータの表面に導電性が高い材料を付加して表面改質層を形成するための処理(たとえば、スパッタリング処理)等が挙げられる。表面改質層の厚さは、限定はされないが、たとえば、数nmから数十Åレベルのものである。   For the purpose of reducing the contact resistance of the separator, the separator may be subjected to a surface modification treatment before being incorporated into the fuel cell. Examples of surface modification treatment include plasma treatment for cleaning the separator surface (for example, bombard treatment), treatment for adding a highly conductive material to the separator surface to form a surface modification layer ( For example, sputtering treatment) can be used. The thickness of the surface modification layer is not limited, but is, for example, a level of several nanometers to several tens of millimeters.

セパレータは、量産する際は、コイル状に巻かれた帯状のチタン材(以下、単に、「コイル」ともいう。)から製造することが好ましい。近年の技術革新により、このような帯状のチタン材に対する表面改質処理が、工業的な規模で可能となりつつある。特に、プラズマ処理、およびスパッタリング処理が、固体高分子形燃料電池のセパレータの表面改質処理として、将来的に適用可能になることが期待できる。   The separator is preferably manufactured from a strip-shaped titanium material wound in a coil shape (hereinafter also simply referred to as “coil”) in mass production. Due to recent technological innovations, surface modification treatment for such strip-shaped titanium materials is becoming possible on an industrial scale. In particular, it can be expected that plasma treatment and sputtering treatment will be applicable in the future as a surface modification treatment of a separator of a polymer electrolyte fuel cell.

表面改質処理の際、チタン材を処理する処理槽内を、1.0×10-2Torr(1.3Pa)以下の高真空に維持しても、チタン材表面の酸化が起こることが多い。この現象の一因は、素材であるチタン材の表面に付着または吸着されて処理槽内に持ち込まれた水であると考えられる。このような水は、表面改質処理としてプラズマ処理を行うと、分解されて酸素を発生する。酸素はチタンとの親和力が極めて強く、また、チタン中の酸素固溶量は大きいので、プラズマにより活性化されたチタン材の表面は、容易に酸化される。チタン材の表面が酸化されると、表面改質処理により所望の特性を得ることができなくなる。特許文献1〜5のチタン材では、表面に水が付着または吸着して処理槽内に持ち込まれると、この水が分解して生ずるO(酸素)による酸化を抑制するのは、困難であった。 In the surface modification treatment, even if the inside of the treatment tank for treating the titanium material is maintained at a high vacuum of 1.0 × 10 −2 Torr (1.3 Pa) or less, the surface of the titanium material is often oxidized. . One cause of this phenomenon is thought to be water brought into the treatment tank by adhering or adsorbing to the surface of the titanium material. Such water is decomposed to generate oxygen when plasma treatment is performed as a surface modification treatment. Oxygen has an extremely strong affinity with titanium, and since the amount of oxygen solid solution in titanium is large, the surface of the titanium material activated by plasma is easily oxidized. If the surface of the titanium material is oxidized, the desired properties cannot be obtained by the surface modification treatment. In the titanium materials of Patent Documents 1 to 5, when water adheres or adsorbs to the surface and is brought into the treatment tank, it is difficult to suppress oxidation due to O (oxygen) generated by decomposition of the water. .

チタン材を、コイルの形態で出荷する際には、チタン材同士が擦れ合って、チタン材表面に疵が生じることを防止するために、「合紙」と呼ばれるロール紙、またはビニールシート(以下、「合紙等」という。)を、チタン材と同時に巻き込むことが、通常行なわれる。しかし、合紙等は、水分、空気等を吸着しているので、合紙等を用いると、表面改質処理の際に、処理槽内に、水分、空気等が持ち込まれる。また、合紙等は、表面改質処理を行う前に、減圧室(真空槽)内で連続的に外す必要がある。狭い減圧室では、外した合紙等の処置が困難である。したがって、表面改質処理を行なうコイル素材には、合紙等を使用しないことが好ましい。   When shipping titanium materials in the form of coils, in order to prevent the titanium materials from rubbing against each other and causing wrinkles on the surface of the titanium material, a roll paper called a “interleaf”, or a vinyl sheet (hereinafter referred to as “paper”) , “Interleaf paper etc.”) is usually performed simultaneously with the titanium material. However, since the interleaving paper or the like adsorbs moisture, air or the like, if interleaving paper or the like is used, moisture, air or the like is brought into the treatment tank during the surface modification treatment. In addition, it is necessary to continuously remove the interleaving paper or the like in the decompression chamber (vacuum tank) before performing the surface modification treatment. In a narrow decompression chamber, it is difficult to treat the removed slip sheet. Therefore, it is preferable not to use a slip sheet or the like for the coil material subjected to the surface modification treatment.

特許文献1〜5に開示されたチタン材をコイル状に巻いて出荷する際は、合紙等を用いる必要がある。このため、これらのチタン材を表面改質する際、処理槽内に、合紙等に起因して、水分、空気等が持ち込まれ、これらの水分、空気により、チタン材の表面が酸化し得る。あるいは、合紙等を使用しない場合には、コイル巻き疵を許容する必要があった。   When the titanium materials disclosed in Patent Documents 1 to 5 are wound in a coil shape and shipped, it is necessary to use a slip sheet or the like. For this reason, when surface-modifying these titanium materials, moisture, air, etc. are brought into the treatment tank due to the interleaf, and the surface of the titanium material can be oxidized by these moisture, air. . Or, when the slip sheet or the like is not used, it is necessary to allow the coil curl.

本発明の目的は、固体高分子形燃料電池のセルに用いられ、表面改質層が形成されるセパレータを製造するのに適したチタン材を提供することである。   An object of the present invention is to provide a titanium material suitable for manufacturing a separator used for a cell of a polymer electrolyte fuel cell and having a surface modified layer formed thereon.

本発明は、下記(A)のチタン材を要旨とする。
(A)固体高分子形燃料電池のセパレータ用チタン材であって、
基材と、
前記基材の上で最表層に形成されたAlを主体とする表面被覆層とを備え、
前記基材の表面粗さが、Ra値で、0.12〜4μmであり、
前記基材が、質量%で、
Fe:0.1%以下、
O:0.11%以下
を含有し、前記基材の残部が、Tiおよび不純物からなり、
前記表面被覆層の平均厚さが、200nm以上、3μm以下である、チタン材。
The gist of the present invention is the following titanium material (A).
(A) A titanium material for a separator of a polymer electrolyte fuel cell,
A substrate;
A surface coating layer mainly composed of Al formed on the outermost layer on the substrate;
The surface roughness of the substrate is Ra value of 0.12 to 4 μm,
The base material is in mass%,
Fe: 0.1% or less,
O: 0.11% or less, the balance of the base material consists of Ti and impurities,
The titanium material whose average thickness of the said surface coating layer is 200 nm or more and 3 micrometers or less.

表面被覆層がAlを主体とすることにより、雰囲気中のO(酸素)をAlと優先的に結合させて、基材の酸化を抑制することができる。表面被覆層を減圧下で除去し、引き続き、表面被覆層が除去されたチタン材の表面に、表面改質層を形成して、最終的なセパレータとすることができる。この場合、表面改質層の形成時にも、基材の酸化を抑制することができる。これにより、基材に対する表面改質層の密着性を高くすることができる。   When the surface coating layer is mainly composed of Al, O (oxygen) in the atmosphere can be preferentially bonded to Al to suppress the base material from being oxidized. The surface coating layer can be removed under reduced pressure, and subsequently a surface modification layer can be formed on the surface of the titanium material from which the surface coating layer has been removed to form a final separator. In this case, oxidation of the base material can be suppressed even when the surface modified layer is formed. Thereby, the adhesiveness of the surface modification layer with respect to a base material can be made high.

また、表面被覆層が存在することにより、たとえば、このチタン材をコイルとしたときに、基材の表面に疵が生じ難く、したがって、この場合、コイル巻き疵発生を心配することなく合紙等を用いないようにすることができる。   Further, due to the presence of the surface coating layer, for example, when this titanium material is used as a coil, it is difficult for wrinkles to be generated on the surface of the base material. Can be avoided.

図1Aは、固体高分子形燃料電池の斜視図である。FIG. 1A is a perspective view of a polymer electrolyte fuel cell. 図1Bは、固体高分子形燃料電池を構成する単セルの構造を示す分解斜視図である。FIG. 1B is an exploded perspective view showing the structure of a single cell constituting the polymer electrolyte fuel cell.

本発明者は、セパレータにチタン材を適用することに関して、以下の知見を得るに至り、本発明を完成した。   The inventor has obtained the following knowledge regarding the application of a titanium material to the separator, and has completed the present invention.

チタン材の表面に生成する不動態皮膜は、オキシ水酸化物または酸化物からなり、それ自体の電気抵抗が高い。このため、不動態皮膜により、電気的な表面接触抵抗(以下、単に、「接触抵抗」という。)が高くかつ安定しないために、不動態皮膜が形成されたチタン材を、燃料電池のセパレータへ適用することは困難である。   The passive film formed on the surface of the titanium material is made of oxyhydroxide or oxide and has a high electric resistance. For this reason, since the electrical surface contact resistance (hereinafter simply referred to as “contact resistance”) is high and unstable due to the passive film, the titanium material on which the passive film is formed is used as a fuel cell separator. It is difficult to apply.

不動態皮膜で覆われているチタン材であっても、表面に微細な凹凸を付与して、適切な表面粗さを有するように処理することで、接触抵抗値を下げることができる。これは、接触機会(点数)の増加と、接点となった凸部の塑性変形による接触面積増加とによると考えられる。好ましい表面粗さは、Ra値(JIS B 0601−1982による)で、0.12〜4μmである。また、このような表面粗さを有するセパレータは、燃料電池運転中にセル内で発生する生成水に対して、この水を電池の外に排出するのに適度な親水性、および濡れ性を有する。これにより、電池反応で生成した水が大きな水滴となって流路が閉塞し、その部分から電池性能が低下することを抑制することができる。   Even if the titanium material is covered with a passive film, the contact resistance value can be lowered by providing fine irregularities on the surface and processing to have an appropriate surface roughness. This is thought to be due to an increase in contact opportunity (number of points) and an increase in contact area due to plastic deformation of the convex portion that became the contact point. A preferable surface roughness is 0.12 to 4 μm in Ra value (according to JIS B 0601-1982). In addition, the separator having such a surface roughness has appropriate hydrophilicity and wettability with respect to the generated water generated in the cell during operation of the fuel cell to discharge the water out of the battery. . Thereby, it can suppress that the water produced | generated by battery reaction becomes a big water droplet, a flow path is obstruct | occluded, and battery performance falls from the part.

ステンレス鋼、およびチタン材のいずれも、導電性の金属析出物を素材中に細かく分散させて表面に露出させるか、貴金属を表面にめっきすると、接触抵抗値を下げることができる。ただし、限りある貴重な資源である貴金属を、リサイクルできる目途もなく使用することは、将来利用する資源を確保する点で好ましくない。   For both stainless steel and titanium materials, the contact resistance value can be lowered by finely dispersing conductive metal precipitates in the material and exposing them on the surface or plating a noble metal on the surface. However, it is not preferable to use a precious metal, which is a limited valuable resource, without any possibility of recycling, from the viewpoint of securing resources to be used in the future.

本発明者は、チタン材の表面改質処理中におけるチタン材の酸化を、回避し、または安定して抑制する手段として、所望の表面改質処理を行なう前のチタン材表面にAlをわずかに存在させておくことが極めて有効であることを、新たに知見した。Alは、TiよりもO(酸素)との親和力が強く、プラズマ中においても優先的にOと結合するため、所望の表面改質処理後のチタン材表面の酸化と、基材中の酸素含有率の上昇とを確実に抑制することができる。   As a means of avoiding or stably suppressing the oxidation of the titanium material during the surface modification treatment of the titanium material, the present inventor slightly adds Al to the surface of the titanium material before the desired surface modification treatment. It was newly discovered that it is extremely effective to keep it present. Al has a stronger affinity with O (oxygen) than Ti and binds preferentially to O even in plasma, so that oxidation of the surface of the titanium material after the desired surface modification treatment and oxygen content in the substrate An increase in rate can be reliably suppressed.

また、所望の表面改質処理を行なう前のチタン材表面にAlがわずかに存在していると、所望の改質処理直前にAl層を取り除くことで、チタン材表面に付着していた汚れを一掃することが可能である。   Also, if there is a slight amount of Al on the surface of the titanium material before the desired surface modification treatment, removing the Al layer immediately before the desired modification treatment will remove the dirt adhering to the titanium material surface. It can be wiped out.

ただし、セパレータの最終的な表面改質処理後に、Alが、露出した表面に残留、または最終的な表面改質層内に不純物として多量に残留すると、固体高分子形燃料電池内で、このセパレータの耐食性が低下し、接触抵抗が上昇することがある。最終の表面改質処理後のチタン材表面からは、Alは、完全に除かれているか、残留しているとしても、Al23型の安定な酸化物となっていることが必要である。 However, if a large amount of Al remains on the exposed surface or as an impurity in the final surface modification layer after the final surface modification treatment of the separator, the separator in the polymer electrolyte fuel cell Corrosion resistance may decrease and contact resistance may increase. From the surface of the titanium material after the final surface modification treatment, Al must be a stable oxide of Al 2 O 3 type, even if it is completely removed or remains. .

換言すれば、所望の表面改質層を形成する前のチタン材表面に存在しているAl層は、この表面改質層を形成する直前に、ボンバード処理、または表面改質層を形成する際のスパッタ効果により、除かれていること、または酸化されることが必要である。   In other words, the Al layer present on the surface of the titanium material before the formation of the desired surface modification layer is formed immediately before the surface modification layer is formed, when the bombardment process or the surface modification layer is formed. It is necessary to be removed or oxidized due to the sputtering effect.

本発明者は、表面改質処理前のチタン材表面に存在するAl層の平均厚さを、200nm〜3μmの範囲内とすることで、Alが意図した役割を果たし、安定して、かつ高効率に、所望の表面改質処理ができることを知見した。   The inventor achieves the intended role of Al by making the average thickness of the Al layer existing on the surface of the titanium material before the surface modification treatment within a range of 200 nm to 3 μm, stably, and high It has been found that a desired surface modification treatment can be performed efficiently.

本発明のチタン製固体高分子形燃料電池のセパレータ用材料は、上述の通り、基材と、基材の上で最表層に形成されたAlを主体とする表面被覆層とを備えている。基材の表面粗さは、Ra値で、0.12〜4μmである。基材は、質量%で、Fe:0.1%以下、O:0.11%以下を含有し、基材の残部は、Tiおよび不純物からなる。表面被覆層の平均厚さは、200nm以上、3μm以下である。   As described above, the material for the separator of the titanium solid polymer fuel cell of the present invention includes the base material and the surface coating layer mainly composed of Al formed on the outermost layer on the base material. The surface roughness of the substrate is 0.12 to 4 μm in terms of Ra value. The base material contains, by mass%, Fe: 0.1% or less and O: 0.11% or less, and the balance of the base material is made of Ti and impurities. The average thickness of the surface coating layer is 200 nm or more and 3 μm or less.

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。以下の説明で、化学組成についての「%」は、特に断りがない限り、「質量%」である。
セパレータには、セパレータの流路を流れるガスの方向を所望方向に向けるための整流板が設けられることがある。本明細書では、セパレータには、このような整流板が含まれ得るものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the following description, “%” for the chemical composition is “% by mass” unless otherwise specified.
The separator may be provided with a rectifying plate for directing the direction of gas flowing in the separator flow path in a desired direction. In the present specification, the separator may include such a current plate.

1.本発明のチタン材
本発明のチタン材は、基材と、最表層に形成されたAlを主体とする表面被覆層とを備えている。
1. Titanium Material of the Present Invention The titanium material of the present invention includes a base material and a surface coating layer mainly composed of Al formed on the outermost layer.

近年、チタン材からセパレータを製造する際に、チタン材に対して表面改質処理が施されることが多くなってきている。本発明のチタン材は、セパレータを製造する工程で、このような表面改質処理を施すことを想定したものである。本発明のチタン材に対して、表面改質処理を行う際は、表面被覆層は、表面改質処理の直前に除去する。表面被覆層の除去は、表面改質処理を行う真空槽内で、前段処理としてのボンバード処理により行うか、スパッタリングによる最終的な表面改質処理中、特にこの処理の前半において行うことができる。   In recent years, when a separator is manufactured from a titanium material, surface modification treatment is often performed on the titanium material. The titanium material of the present invention assumes that such a surface modification treatment is performed in the process of manufacturing a separator. When the surface modification treatment is performed on the titanium material of the present invention, the surface coating layer is removed immediately before the surface modification treatment. The removal of the surface coating layer can be performed by a bombardment process as a pre-stage process in a vacuum chamber for performing a surface modification process, or during a final surface modification process by sputtering, particularly in the first half of this process.

この場合、ボンバード処理、またはスパッタリングにより、プラズマ化したAlイオンが生じ、このAlイオンにより、基材の表面酸化が軽減され、また、表面改質層の酸化が抑制される。これは、Alが、TiよりもO(酸素)との親和力が強く、プラズマ中においても優先的にOと結合するためである。その結果、基材に対する表面改質層の密着性が向上するとともに、セパレータの接触抵抗を低くすることができる。   In this case, plasma-generated Al ions are generated by bombardment or sputtering, and the Al ions reduce the surface oxidation of the base material and suppress the oxidation of the surface modification layer. This is because Al has a stronger affinity with O (oxygen) than Ti and preferentially bonds with O even in plasma. As a result, the adhesion of the surface modified layer to the substrate can be improved and the contact resistance of the separator can be lowered.

このチタン材に表面被覆層が設けられていることにより、チタン材同士が擦れ合って、表面被覆層に疵が入っても、基材に疵が入ることが抑制される。したがって、チタン材の形態が、コイル、または切り板である場合、合紙等を用いないようにすることができる。また、合紙等を用いないことにより、表面改質処理の際に、合紙等に起因にして、処理槽内に水、大気等が持ち込まれることを防止することができるとともに、減圧室内で、合紙等を外す処置をする必要はない。   By providing the surface coating layer on the titanium material, even if the titanium materials rub against each other and wrinkles enter the surface coating layer, wrinkles are prevented from entering the base material. Therefore, when the form of the titanium material is a coil or a cut plate, it is possible to avoid using a slip sheet or the like. In addition, by not using interleaving paper or the like, it is possible to prevent water, air, etc. from being brought into the treatment tank due to interleaving paper or the like during the surface modification treatment, and in the decompression chamber. There is no need to remove the slip sheet.

2.基材の表面粗さ
基材の表面粗さは、Ra(中心線平均粗さ)値で、0.12〜4μmである。Ra値は、JIS B 0601−1982にて規定する測定方法により測定されたものとする。以下、表面粗さは、この規定によるRa値であるものとする。
2. Surface Roughness of Substrate The surface roughness of the substrate is 0.12 to 4 μm in Ra (center line average roughness) value. Ra value shall be measured by the measuring method prescribed | regulated by JISB0601-1982. Hereinafter, the surface roughness is assumed to be the Ra value according to this rule.

本発明のチタン材について、基材の表面粗さを測定するためには、基材の表面状態に影響を与えないように表面被覆層を除去する必要がある。そのための方法として、基材が腐食しないように濃度設定した酸液中で表面被覆層のみを選択的に腐食させるか、電気化学的な手法で、表面被覆層のみを選択的にアノード溶解させることができる。基材はTiを主体とすることにより耐食性に優れるので、Alを主体とする表面被覆層を選択的に除去することは容易である。   In order to measure the surface roughness of the base material of the titanium material of the present invention, it is necessary to remove the surface coating layer so as not to affect the surface state of the base material. As a method for that purpose, only the surface coating layer is selectively corroded in an acid solution whose concentration is set so that the substrate does not corrode, or only the surface coating layer is selectively anodically dissolved by an electrochemical method. Can do. Since the base material is excellent in corrosion resistance due to being mainly composed of Ti, it is easy to selectively remove the surface coating layer mainly composed of Al.

一般的に、チタン材の表面粗さが、0.12〜4μmであれば、不動態皮膜がこのチタン材の表面を覆っていても、固体高分子形燃料電池のセパレータとして、電極膜との接触抵抗値を実用的なレベルとすることができる。本発明のチタン材の表面粗さは、表面被覆層の除去および表面改質処理をした後でも、基材の表面粗さを反映して、0.12〜4μmの範囲内に維持されていると考えられる。したがって、本発明のチタン材に対して、表面被覆層を除去し、表面改質処理を施して、セパレータとして用いたときに、電極膜との接触抵抗値を実用的なレベルとすることができる。   Generally, if the surface roughness of the titanium material is 0.12 to 4 μm, even if the passive film covers the surface of the titanium material, The contact resistance value can be set to a practical level. The surface roughness of the titanium material of the present invention is maintained within the range of 0.12 to 4 μm, reflecting the surface roughness of the base material, even after the removal of the surface coating layer and the surface modification treatment. it is conceivable that. Therefore, when the titanium coating material of the present invention is used as a separator by removing the surface coating layer and performing surface modification treatment, the contact resistance value with the electrode film can be brought to a practical level. .

具体的には、固体高分子形燃料電池のセパレータの接触抵抗の目標値は、20mΩ・cm2以下とされ、この目標値は、本発明のチタン材に備えられた基材の表面粗さが0.12〜4μmであることにより達成される。最終的に形成される表面改質層にもよるが、セパレータの表面粗さが、0.12μm未満であっても、4μmより大きくても、接触抵抗値は高くなりやすい。これは、いずれの場合も、接触点数の減少と、接点となる凸部の接触面積の減少とに起因すると考えられる。 Specifically, the target value of the contact resistance of the separator of the polymer electrolyte fuel cell is set to 20 mΩ · cm 2 or less, and this target value is based on the surface roughness of the base material provided in the titanium material of the present invention. This is achieved by being 0.12 to 4 μm. Although it depends on the finally formed surface modification layer, the contact resistance value tends to be high even if the surface roughness of the separator is less than 0.12 μm or more than 4 μm. In any case, this is considered to be caused by a decrease in the number of contact points and a decrease in the contact area of the convex portion serving as a contact point.

また、セパレータの表面が粗すぎると、対向する部材との間の密閉性が悪くなる。具体的には、図1Bを参照して、セパレータ5aと燃料電極膜3との間、およびセパレータ5bと酸化剤電極膜4との間の密閉性が悪くなり、その場合、流路6a、6bを流れるガスが、隙間より外部に漏れやすくなる。   Moreover, when the surface of a separator is too rough, the sealing property between the opposing members will worsen. Specifically, referring to FIG. 1B, the sealing between the separator 5a and the fuel electrode film 3 and between the separator 5b and the oxidant electrode film 4 is deteriorated. In that case, the flow paths 6a and 6b The gas flowing through the air easily leaks outside through the gap.

さらに、セパレータの表面粗さが、0.12〜4μmであれば、電池内で生成する水に対する親水性と排水性とを改善する効果も期待できる。セパレータの親水性が適切ではない場合、電池反応で生成した水が大きな水滴となって流路が閉塞し、その部分から電池性能が低下することがある。上記範囲の表面粗さを有するセパレータは、この水を電池の外に排出するのに適度な親水性、および濡れ性を有し、流路が水で閉塞されることを抑制することができる。   Furthermore, if the surface roughness of the separator is 0.12 to 4 μm, the effect of improving hydrophilicity and drainage with respect to water generated in the battery can be expected. When the hydrophilicity of the separator is not appropriate, water generated by the battery reaction becomes large water droplets and the channel is blocked, and the battery performance may be deteriorated from that portion. The separator having the surface roughness in the above range has moderate hydrophilicity and wettability for discharging this water out of the battery, and can prevent the flow path from being clogged with water.

3.基材の組成
本発明のチタン材の基材は、不純物を除き合金元素を含まない純チタンであるか、必要に応じて、Pdなどの白金族元素が添加されたチタン合金である。基材は、必須元素として、0.1%以下のFe、0.11%以下のO(酸素)を含有し、任意で、0.25%以下の白金族元素を、さらに含有し、基材の残部は、Tiおよび不純物からなる。
3. Composition of base material The base material of the titanium material of the present invention is pure titanium which does not contain alloy elements except impurities, or is a titanium alloy to which a platinum group element such as Pd is added as required. The base material contains, as essential elements, 0.1% or less of Fe, 0.11% or less of O (oxygen), and optionally further contains a platinum group element of 0.25% or less, The remainder of Ti consists of Ti and impurities.

Fe:0.1%以下
Feは、チタン材の強度を高める半面、延性の低下をもたらす添加元素である。加工性を確保して、所望の形状のセパレータに成形できるようにするために、Feの含有率の上限は、0.10%とする。
Fe: 0.1% or less Fe is an additive element that increases the strength of the titanium material, but reduces ductility. In order to ensure processability and to be able to form a separator having a desired shape, the upper limit of the Fe content is 0.10%.

Feの含有率の下限は、特に限定しないが、セパレータには、ある程度高い強度が要求されるので、O(酸素)などの強度を高める効果のある他の不純物の含有率にもよるが、Feは、たとえば、0.015%以上含有していることが好ましい。すなわち、固体高分子形燃料電池は、数十枚から数百枚のセルを重ねて締めつけることで構成されるので、締結する際に許容できる締結力を高め、座屈を防止するために、適当な含有率のFeにより、チタン材の強度をある程度高くすることが好ましい。   The lower limit of the Fe content is not particularly limited, but the separator is required to have a certain degree of strength. Therefore, although depending on the content of other impurities that have an effect of increasing the strength such as O (oxygen), Fe For example, it is preferable to contain 0.015% or more. In other words, the polymer electrolyte fuel cell is constructed by stacking several tens to several hundred cells and tightening them. Therefore, in order to increase the allowable fastening force when fastening and prevent buckling, It is preferable to increase the strength of the titanium material to some extent with Fe having a high content.

また、Feは、基材の製造工程において、β相の析出挙動を制御して、結晶粒径を調整するのに利用できる添加元素である。
Fe含有率は、たとえば、0.035%以上、0.060%以下であることが好ましい。
In addition, Fe is an additive element that can be used to adjust the crystal grain size by controlling the β-phase precipitation behavior in the manufacturing process of the substrate.
For example, the Fe content is preferably 0.035% or more and 0.060% or less.

O(酸素):0.11%以下
Oは、Tiとの親和力が極めて強く、表面に酸化物を形成しやく、かつ、Tiに多量に固溶しやすい。Oは、Feと同様に、チタン材の強度を高める効果を有する。上述のように、セパレータには、ある程度高い強度が要求され、そのためには、O含有率は、ある程度高いことが好ましい。一方、Oは、延性の低下をもたらす添加元素である。所望の形状に成形できる加工性を確保するために、O含有率は、0.11%以下とし、0.05%以下であることが、より好ましい。
O (oxygen): 0.11% or less O has an extremely strong affinity for Ti, tends to form an oxide on the surface, and easily dissolves in a large amount in Ti. O, like Fe, has the effect of increasing the strength of the titanium material. As described above, the separator is required to have a certain degree of strength, and for that purpose, the O content is preferably high to some extent. On the other hand, O is an additive element that causes a decrease in ductility. In order to ensure processability that can be formed into a desired shape, the O content is set to 0.11% or less, and more preferably 0.05% or less.

白金族元素:0.25%以下
本発明のチタン材における基材は、任意元素として、白金族元素を含有してもよい。耐食性等を改善する目的で、白金族元素を意図的に添加したチタン材が規格化され、市販されており、これらのチタン材も、本発明のチタン材の基材として用い得る。白金族元素の含有率は、0.25%以下とし、0.10%以下であることが、より好ましい。基材が、0.25%を超える白金族元素を含有すると、原料コストが高くなる。含有する白金族元素としては、たとえば、Pdを挙げることができる。
Platinum group element: 0.25% or less The base material in the titanium material of the present invention may contain a platinum group element as an optional element. For the purpose of improving corrosion resistance and the like, titanium materials intentionally added with a platinum group element are standardized and commercially available, and these titanium materials can also be used as a base material for the titanium material of the present invention. The platinum group element content is 0.25% or less, and more preferably 0.10% or less. When the base material contains a platinum group element exceeding 0.25%, the raw material cost increases. Examples of the platinum group element to be contained include Pd.

以下、基材に含有され得る不純物について説明する。
C:0.01%以下
Cは、コイル製造工程において使用する冷間圧延油などから、チタン材に導入されることがある。チタン材のC含有率が高いと、延性が低下し、加工性に劣るようになるので、C含有率は、低いほど好ましい。C含有率は、0.01%以下であることが好ましく、0.007%以下であることが、より好ましい。
Hereinafter, impurities that can be contained in the substrate will be described.
C: 0.01% or less C may be introduced into the titanium material from cold rolling oil or the like used in the coil manufacturing process. When the C content of the titanium material is high, the ductility is lowered and the workability is deteriorated. Therefore, the lower the C content, the better. The C content is preferably 0.01% or less, and more preferably 0.007% or less.

H:0.005%以下
Hは、酸洗、表面改質処理工程等において、チタン材中に導入される。Hは、チタン材が水素脆化を起こす原因となるので、H含有率は、低いほど好ましい。H含有率は、0.005%以下とし、0.03%以下であることが好ましい。
H: 0.005% or less H is introduced into the titanium material in pickling, surface modification treatment steps, and the like. Since H causes the hydrogen embrittlement of the titanium material, the lower the H content, the better. The H content is set to 0.005% or less, and preferably 0.03% or less.

N:0.02%以下
Nは、コイル製造工程において、チタン材に導入されることがある。チタン材のN含有率が高いと、延性が低下し、加工性に劣るようになるので、N含有率は、低いほど好ましい。N含有率は、0.02%以下とし、0.01%以下であることが好ましい。
N: 0.02% or less N may be introduced into the titanium material in the coil manufacturing process. When the N content of the titanium material is high, the ductility is lowered and the workability is deteriorated. Therefore, the lower the N content, the better. The N content is 0.02% or less, and preferably 0.01% or less.

4.表面被覆層
表面被覆層の平均厚さは、200nm以上、3μm以下である。表面被覆層の平均厚さは、たとえば、重量法により、測定することができる。具体的には、表面被覆層が形成されたチタン材の重量(質量)を測定し、表面被覆層を溶解した後にこのチタン材の重量を測定し、これらの重量の差を、表面被覆層が形成されていた面積、および表面被覆層の密度(Alの密度であり、文献値を採用することができる。)で除して、表面被覆層の平均厚さとする。表面被覆層を形成する面積を大きくすることにより、平均厚さの測定精度を高くすることができる。表面被覆層は、Alを主体とし、たとえば、60%以上のAlを含有する。
4). Surface coating layer The average thickness of the surface coating layer is 200 nm or more and 3 μm or less. The average thickness of the surface coating layer can be measured, for example, by a gravimetric method. Specifically, the weight (mass) of the titanium material on which the surface coating layer is formed is measured, and after the surface coating layer is dissolved, the weight of the titanium material is measured. Divide by the area formed and the density of the surface coating layer (Al density; literature values can be adopted) to obtain the average thickness of the surface coating layer. The measurement accuracy of the average thickness can be increased by increasing the area for forming the surface coating layer. The surface coating layer is mainly composed of Al and contains, for example, 60% or more of Al.

表面被覆層の平均厚さが200nm未満であると、このチタン材に表面改質層を形成する前に、たとえば、ボンバード処理により表面被覆層を除去しようとすると、表面被覆層が完全に消失しやすくなる。この場合、基材の酸化を抑制するという効果が得にくくなる。酸化した基材の上に表面改質層を形成すると、基材に対する表面改質層の密着性が低くなる。   If the average thickness of the surface coating layer is less than 200 nm, the surface coating layer disappears completely if, for example, the surface coating layer is removed by bombarding before the surface modification layer is formed on the titanium material. It becomes easy. In this case, it becomes difficult to obtain the effect of suppressing the oxidation of the base material. When the surface modification layer is formed on the oxidized substrate, the adhesion of the surface modification layer to the substrate is lowered.

一方、表面被覆層の平均厚さが3μmを超える場合には、表面改質層を形成する前に表面被覆層を除去するために要する時間が長くなるか、除去しきれずに残留するAlが多くなる。残留するAlが多くなると、このAlが表面改質層そのものをAlで汚染して、燃料電池の性能を低下させることが多くなる。   On the other hand, when the average thickness of the surface coating layer exceeds 3 μm, it takes a long time to remove the surface coating layer before forming the surface modified layer, or much Al remains without being removed. Become. When the amount of remaining Al increases, the Al often contaminates the surface modification layer itself with Al, thereby reducing the performance of the fuel cell.

以上の要因を考慮すると、表面被覆層の厚さは、形成するべき表面改質層の種類、厚さ等にもよるが、たとえば、200nm以上、3μm以下であることが好ましく、300nm以上、2μm以下であることが、より好ましい。このような厚さであれば、表面改質層の密着性および所望の性能を確保しつつ、表面被覆層を除去するために要する時間を短縮できる。表面被覆層を、たとえば、ボンバード処理により除去する場合は、除去に要する時間は数分以下とすることができる。これにより、表面改質処理の高速化が可能となり、コストを低減しつつ量産化することができる。   Considering the above factors, the thickness of the surface coating layer depends on the type and thickness of the surface modification layer to be formed, but is preferably 200 nm or more and 3 μm or less, for example, 300 nm or more and 2 μm. The following is more preferable. With such a thickness, it is possible to shorten the time required to remove the surface coating layer while ensuring the adhesion and desired performance of the surface modified layer. For example, when the surface coating layer is removed by bombardment, the time required for the removal can be set to several minutes or less. As a result, it is possible to increase the speed of the surface modification treatment, and it is possible to mass-produce while reducing the cost.

5.本発明のチタン材の製造方法
以下、本発明のチタン材を製造する方法の一例について説明する。
まず、上記化学組成を有する基材を用意する。
5. Hereinafter, an example of a method for producing the titanium material of the present invention will be described.
First, a substrate having the above chemical composition is prepared.

そして、基材の表面粗さが0.12〜4μmとなるように、基材の表面を処理する。このような処理の一例として、たとえば、硝ふっ酸水溶液を用いるスプレーエッチング処理または浸漬処理を行った直後に、水洗、および乾燥処理することを挙げることができる。硝ふっ酸水溶液の温度は、たとえば、20〜80℃とすることができ、ふっ酸濃度は、たとえば、質量%で2〜10%とすることができ、硝酸濃度は、たとえば、質量%で5〜30%とすることができる。   And the surface of a base material is processed so that the surface roughness of a base material may be 0.12-4 micrometers. As an example of such a process, for example, immediately after performing a spray etching process or a dipping process using a nitric hydrofluoric acid aqueous solution, washing with water and drying can be mentioned. The temperature of the aqueous nitric hydrofluoric acid solution can be, for example, 20 to 80 ° C., the concentration of hydrofluoric acid can be, for example, 2% to 10% by mass%, and the concentration of nitric acid can be, for example, 5% by mass. It can be set to -30%.

ふっ酸濃度、硝酸濃度、または硝ふっ酸水溶液の温度が、上記範囲外であると、基材の表面粗さ調整が困難になる。具体的には、ふっ酸濃度が、2%未満では反応性が低くエッチングが実質的に進行せず、10%を超えて高くなると、現場で液を管理することの容易性が著しく低下するとともに、反応性が高くなり過ぎる。硝ふっ酸水溶液の温度が、20℃未満の場合には、反応性が低くエッチングが実質的に進行せず、80℃より高い場合には、反応性が高過ぎ、かつ硝ふっ酸水溶液の劣化が短時間で進行するようになる。硝酸濃度が5%以下では反応が進行せず、一方30%を超えるとNOx発生への対応が必要となり作業性が低下する。   When the hydrofluoric acid concentration, nitric acid concentration, or the temperature of the aqueous nitric hydrofluoric acid solution is outside the above range, it is difficult to adjust the surface roughness of the substrate. Specifically, when the hydrofluoric acid concentration is less than 2%, the reactivity is low and the etching does not proceed substantially. When the concentration exceeds 10%, the ease of managing the liquid is significantly reduced. The reactivity becomes too high. When the temperature of the nitric hydrofluoric acid aqueous solution is less than 20 ° C., the reactivity is low and etching does not proceed substantially. When the temperature is higher than 80 ° C., the reactivity is too high and the nitric hydrofluoric acid aqueous solution deteriorates. Will progress in a short time. When the nitric acid concentration is 5% or less, the reaction does not proceed. On the other hand, when it exceeds 30%, it is necessary to cope with the generation of NOx and the workability is lowered.

ただし、硝ふっ酸水溶液中で粗面化されたチタン材を、そのまま、セパレータとして、固体高分子形燃料電池に用いると、時間の経過とともに徐々にセパレータの接触抵抗値が上昇する傾向がある。これは、チタン材表面に残るふっ化物が、燃料電池の発電中に酸化物に変化するためであると考えられる。硝ふっ酸水溶液中に、適切な条件で、インヒビターを添加するか、硝ふっ酸水溶液での処理後にふっ酸を含有しない非酸化性の酸水溶液中で追加の酸処理することにより、接触抵抗の上昇は、ある程度抑えられる。   However, when a titanium material roughened in a nitric hydrofluoric acid aqueous solution is used as it is as a separator for a polymer electrolyte fuel cell, the contact resistance value of the separator tends to gradually increase with time. This is presumably because the fluoride remaining on the surface of the titanium material changes to oxide during power generation of the fuel cell. The contact resistance can be reduced by adding an inhibitor in an aqueous solution of nitric hydrofluoric acid under appropriate conditions, or by performing an additional acid treatment in an aqueous non-oxidizing acid solution that does not contain hydrofluoric acid after the treatment with the aqueous solution of nitric hydrofluoric acid. The rise is moderated to some extent.

スプレーおよび浸漬によるエッチング速度は、硝ふっ酸水溶液のふっ酸濃度、硝酸濃度、温度等により制御できる。スプレーによるエッチング処理速度は、上記以外に、硝ふっ酸水溶液のノズルからの吐出圧力、吐出流量、エッチング対象である基材表面での液流速(線流速)、基材表面に対するスプレーの当たり角度、スプレーと基材との距離等により制御できる。   The etching rate by spraying and immersion can be controlled by the hydrofluoric acid concentration, nitric acid concentration, temperature, etc. of the aqueous nitric hydrofluoric acid solution. In addition to the above, the etching processing speed by spraying includes the discharge pressure from the nozzle of the aqueous fluoric acid solution, the discharge flow rate, the liquid flow velocity (linear flow velocity) on the substrate surface to be etched, the hit angle of the spray against the substrate surface, It can be controlled by the distance between the spray and the substrate.

基材が、その製造工程で焼鈍を行ったものである場合、基材の表面には、高温酸化皮膜が形成されている。上述の酸液を用いたエッチングにより、このような高温酸化皮膜は除去される。   When the substrate is annealed in the manufacturing process, a high-temperature oxide film is formed on the surface of the substrate. Such a high-temperature oxide film is removed by etching using the above acid solution.

基材について所望の表面粗さを得るために、硝ふっ酸水溶液に代えて、ふっ酸を含有する硫酸、燐酸などの非酸化性酸水溶液、過酸化水素を含有する硫酸、燐酸などの非酸化性酸水溶液等を用いてもよい。腐食性調整のために、インヒビターまたはグリセリン等を添加した酸水溶液を用いてもよい。用いる酸液の種類は、実際に処理するライン設備での適用の難易度、廃酸処理能力などの制約を勘案して選択することができる。   In order to obtain the desired surface roughness for the substrate, non-oxidizing acid aqueous solution such as sulfuric acid and phosphoric acid containing hydrofluoric acid, sulfuric acid containing hydrogen peroxide and non-oxidizing such as phosphoric acid instead of nitric hydrofluoric acid aqueous solution An aqueous acid solution or the like may be used. In order to adjust the corrosivity, an acid aqueous solution to which an inhibitor or glycerin is added may be used. The type of the acid solution to be used can be selected in consideration of restrictions such as difficulty of application in the line equipment to be actually processed and waste acid treatment capacity.

次に、表面粗さが調整された基材の表面を、ボンバード処理し、その後、スパッタリングによりAlを付加して表面被覆層を形成する。   Next, the surface of the base material whose surface roughness is adjusted is bombarded, and then Al is added by sputtering to form a surface coating layer.

酸液を用いたエッチング、水洗、乾燥、その後の大気中放置等の際に生成した非常に薄い(たとえば、数nm〜数百nmの)表面不動態皮膜を、ボンバード処理により除去する。これにより、その後に行なうAlスパッタリング処理で、チタン材表面に形成するAl皮膜、すなわち表面被覆層を、均一に、かつ密着性を高くして処理できるようになる。ボンバード処理の時間は、このような目的が達成できる程度に短くすることができ、具体的には、数秒から、長くても数分とすることができる。   A very thin (for example, several nm to several hundred nm) surface passive film formed during etching using an acid solution, washing with water, drying, and subsequent standing in the atmosphere is removed by bombardment. As a result, the Al coating formed on the surface of the titanium material, that is, the surface coating layer, can be processed uniformly and with high adhesion by subsequent Al sputtering treatment. The bombardment time can be shortened to such an extent that such an object can be achieved. Specifically, the bombardment time can be from several seconds to several minutes at the longest.

ボンバード処理でプラズマを生成するためのガスとしては、Arを用いることができ、必要に応じてH2を併用してもよい。Arの原子量が大きいことにより、Arガスを用いたボンバード処理の効果は高いが、チタンは酸素との親和性が非常に強く、ボンバード処理中でも、基材表面での酸化皮膜の厚膜化、および基材中への酸素侵入が進行する場合がある。プラズマを生成するためのガス中に水素を導入することにより、酸化進行を軽減することができる。ただし、チタンは水素を吸収して脆化しやすい金属である。このため、酸化皮膜が表面に残留しているときにのみ、水素を併用すれば、基材中への水素の侵入を抑制することができる。 Ar can be used as a gas for generating plasma by the bombarding process, and H 2 may be used in combination as necessary. Due to the large atomic weight of Ar, the effect of bombardment treatment using Ar gas is high, but titanium has a very strong affinity with oxygen, and even during bombardment treatment, thickening of the oxide film on the substrate surface, and Oxygen intrusion into the substrate may proceed. By introducing hydrogen into the gas for generating plasma, the progress of oxidation can be reduced. However, titanium is a metal that easily absorbs hydrogen and becomes brittle. For this reason, if hydrogen is used in combination only when the oxide film remains on the surface, the penetration of hydrogen into the substrate can be suppressed.

プラズマを生成するためのガスとして、Ar、またはArおよびH2を採用した場合、ボンバード処理時のチャンバ内の圧力は、1.0×10-2Torr(1.3Pa)以下とすることが好ましい。チャンバ内の圧力が1.0×10-2Torrを超えると、基材表面での酸化チタン皮膜の生成、および基材内部への酸素侵入が生じやすくなる。 When Ar or Ar and H 2 is employed as a gas for generating plasma, the pressure in the chamber during the bombardment process is preferably 1.0 × 10 −2 Torr (1.3 Pa) or less. . When the pressure in the chamber exceeds 1.0 × 10 −2 Torr, the formation of a titanium oxide film on the surface of the base material and the entry of oxygen into the base material tend to occur.

ボンバード処理は、コイルから引き出した帯状の基材に対して行なってもよく、固体高分子形燃料電池用セパレータの形状に成形が完了し、酸液によって表面粗さが調整された後の基材に対して行なってもよい。帯状の基材に対して連続的にボンバード処理をすると、量産性が格段に優れるとともに、処理コストを著しく低減できる。   The bombarding process may be performed on a strip-shaped base material drawn out from the coil, and after the molding is completed into the shape of the solid polymer fuel cell separator and the surface roughness is adjusted by the acid solution, the base material May be performed. When the bombarding process is continuously performed on the band-shaped substrate, the mass productivity is remarkably excellent and the processing cost can be significantly reduced.

セパレータとして成形された後の基材に対して、ボンバード処理を行なえば、処理が枚様方式となる。しかし、複数枚の基材を一度に固定できるホルダを用い、このホルダに複数枚の基材を固定した状態で、ホルダ毎に枚様処理を行なうことで、処理の手間とコストとを抑えることができる。この場合、複数枚の基材が固定されたホルダを、減圧室に装入した後に、減圧室から枚様方式でスパッタリング処理室へと搬入して、表面被覆層を形成し、その後、スパッタリング処理室より枚様方式で復圧室に搬出して、復圧室より搬出することができる。   If bombarding is performed on the base material that has been molded as a separator, the processing becomes a sheet-like system. However, by using a holder that can fix multiple substrates at once, and fixing multiple substrates to this holder, performing sheet-like processing for each holder reduces processing effort and costs. Can do. In this case, a holder on which a plurality of substrates are fixed is inserted into the decompression chamber, and then transferred from the decompression chamber to the sputtering treatment chamber in a sheet-like manner to form a surface coating layer, and then the sputtering treatment It is possible to carry out from the chamber to the decompression chamber in a sheet-like manner, and to carry out from the decompression chamber.

次に、スパッタリング処理について説明する。上述のように、表面被覆層は、スパッタリングにより、基材表面にAlを付加して形成することができる。表面被覆層を形成する手段は、スパッタリングに限定されず、電子ビームを用いる真空蒸着法を採用してもよい。しかし、表面被覆層は、200nm〜3μmと薄いことが必須であり、膜厚を薄く制御しやすいスパッタリング法を採用することが好ましい。表面被覆層は、HIPIMS(High Power Impulse Magnetron Sputtering)により形成してもよい。   Next, the sputtering process will be described. As described above, the surface coating layer can be formed by adding Al to the substrate surface by sputtering. The means for forming the surface coating layer is not limited to sputtering, and a vacuum deposition method using an electron beam may be employed. However, it is essential that the surface coating layer is as thin as 200 nm to 3 μm, and it is preferable to employ a sputtering method in which the film thickness can be easily controlled. The surface coating layer may be formed by HIPIMS (High Power Impulse Magnetron Sputtering).

スパッタリング処理は、コイルから引き出した帯状の基材に対して行ってもよく、セパレータの形状に成形され、酸液によって表面粗さが調整された基材に対して行なってもよい。Alのスパッタリング処理は、ボンバード処理を終了した直後に、同じまたは連続した真空装置内で、引き続き行なわれることが好ましい。この場合、ボンバード処理後の基材表面が酸化することを抑制することができる。   The sputtering treatment may be performed on a strip-shaped base material drawn from the coil, or may be performed on a base material that has been formed into a separator shape and whose surface roughness has been adjusted with an acid solution. It is preferable that the Al sputtering process be performed continuously in the same or continuous vacuum apparatus immediately after the bombardment process is completed. In this case, it can suppress that the base-material surface after a bombardment process oxidizes.

表面被覆層は、たとえば、高純度金属Alターゲット材を用いたスパッタリングにより、形成することができる。この場合、ターゲットの純度が高いほど、基材の汚染を少なくすることができるが、コスト高となる。ターゲットの純度は、99.98%以上であればよい。ターゲットは、不純物として、酸素との親和力が強いCa、希土類金属などを含有していてもよい。表面被覆層は、スパッタリングターゲット由来の微量不純物、O(酸素)などの不純物を含有していてもよい。   The surface coating layer can be formed, for example, by sputtering using a high-purity metal Al target material. In this case, the higher the purity of the target, the lower the contamination of the substrate, but the higher the cost. The purity of the target may be 99.98% or more. The target may contain Ca, rare earth metal, etc. having strong affinity with oxygen as impurities. The surface coating layer may contain impurities such as trace impurities derived from the sputtering target and O (oxygen).

本発明の効果を、実施例を示しながら具体的に説明する。
表1に、試験に用いた基材の化学組成を示す。
The effect of the present invention will be specifically described with reference to examples.
Table 1 shows the chemical composition of the substrate used in the test.

Figure 2017016929
Figure 2017016929

表1に示す化学組成を有し、厚さが0.120mmで、幅が400mmの帯状のチタン素材1〜6を、それぞれ、コイルの形態で準備した。各コイルは、一般的な量産製造工程で製造されたものであり、最終の焼鈍処理を光輝焼鈍炉内で行なった光輝焼鈍(BA;Bright Anneal)仕様材であった。各コイルの質量は、125kgであった。素材3、4および6では、FeおよびOの少なくとも1種の含有率が、コイル素材の段階で、本発明で基材について規定する含有率の範囲外であった。また、素材4および6では、CおよびNの少なくとも1種の含有率が、上述の好ましい範囲に入っていなかった。H含有率は、素材1で最も低く、0.0012%であり、素材4で最も高く、0.0042%であり、いずれも、好ましい範囲である0.005%以下であった。   Strip-shaped titanium materials 1 to 6 having a chemical composition shown in Table 1, a thickness of 0.120 mm, and a width of 400 mm were each prepared in the form of a coil. Each coil was manufactured in a general mass production manufacturing process, and was a bright annealing (BA) specification material in which the final annealing treatment was performed in a bright annealing furnace. The mass of each coil was 125 kg. In materials 3, 4 and 6, the content of at least one of Fe and O was outside the range of the content defined for the substrate in the present invention at the stage of the coil material. Moreover, in the raw materials 4 and 6, the content rate of at least 1 sort (s) of C and N was not in the above-mentioned preferable range. The H content was the lowest in material 1, 0.0012%, the highest in material 4, and 0.0042%, both being 0.005% or less, which is the preferred range.

〈第1実施例〉
素材1〜素材4の各コイルから、幅が400mmで、長さが500mmの切り板を、それぞれ5枚ずつ採取し、これらの切り板に対して、チタン箔専用に設置している酸処理ラインを通して酸処理し、光輝焼鈍の際に表面に形成された高温酸化皮膜層を溶解除去するとともに、表面粗さ調整を行なった。ただし、一部の切り板に対しては、酸処理ラインによる処理を行わなかった。
<First embodiment>
From each of the coils of material 1 to material 4, five cut plates each having a width of 400 mm and a length of 500 mm are collected, and an acid treatment line installed exclusively for titanium foil on these cut plates. Then, the high-temperature oxide film layer formed on the surface during the bright annealing was dissolved and removed, and the surface roughness was adjusted. However, some cut plates were not treated with an acid treatment line.

ここで、用いた酸処理ラインの概要について説明する。この酸処理ラインで、安定して搬送可能な素材幅は、最大で400mmである。切り板をテフロン(登録商標)製バックアップロールで下方より支持することで、搬送に伴う切り板の変形を防止した。この酸処理ラインは、切り板の上下からスプレー噴霧するスプレー噴霧ゾーンと、切り板を酸液に浸漬する浸漬ゾーンとを有しており、スプレー処理条件、および浸漬条件の調整により、搬送の際のエッチング量と表面粗さとが調整可能である。本実施例では、基材の表面粗さは、酸処理ラインにおける基材の移送速度により調整した。   Here, the outline | summary of the used acid treatment line is demonstrated. In this acid treatment line, the maximum width of the material that can be stably conveyed is 400 mm. By supporting the cut plate from below with a Teflon (registered trademark) backup roll, deformation of the cut plate accompanying conveyance was prevented. This acid treatment line has a spray spray zone for spraying from the upper and lower sides of the cutting plate and an immersion zone for immersing the cutting plate in the acid solution. The etching amount and surface roughness can be adjusted. In this example, the surface roughness of the substrate was adjusted by the transfer rate of the substrate in the acid treatment line.

酸処理ラインで用いた酸液は、フィルターが装着された5000リットル容量のタンクを介して、酸処理ラインとの間で循環使用されており、酸および添加剤の濃度が調整可能であった。本実施例では、硝酸が15%で、ふっ酸が3%の硝ふっ酸水溶液を用いた。液温は、上記タンク内で40℃±0.5°となるように調整した。酸処理直後の切り板に対して、清浄水を用いて、噴霧による水洗と、浸漬による水洗とを行った。使用した清浄水は、地下水をくみ上げたものである。   The acid solution used in the acid treatment line was circulated between the acid treatment line via a 5000 liter tank equipped with a filter, and the concentrations of acid and additive were adjustable. In this example, a nitric hydrofluoric acid aqueous solution containing 15% nitric acid and 3% hydrofluoric acid was used. The liquid temperature was adjusted to 40 ° C. ± 0.5 ° in the tank. The cut plate immediately after the acid treatment was washed with water by spraying and with water by immersion. The clean water used is a pumped-up groundwater.

このようにして水洗した後、切り板を乾燥した。乾燥は、150℃±2°に設定した耐熱鋼製メッシュベルト搬送方式のトンネル型ドライオーブン炉で行なった。乾燥後の切り板表面は、数nm〜数百nmレベルの不動態皮膜のみ存在する状態となっていることを確認した。   After washing with water in this way, the cut plate was dried. Drying was performed in a heat-resistant steel mesh belt conveyance type tunnel type dry oven furnace set to 150 ° C. ± 2 °. It was confirmed that the cut plate surface after drying was in a state in which only a passive film having a level of several nm to several hundred nm was present.

切り板は、以上の処理の後、6時間以内にスパッタリング処理装置まで搬送して、スパッタリング処理を施した。スパッタリング処理は、切り板専用のホルダを用いて行なった。このホルダには、辺の長さが180mm×250mmの矩形の切り板サンプルを、同時に4枚固定可能である。酸処理後の乾燥を経た切り板を、この大きさおよび形状に切断して、ホルダに固定した。   The cut plate was transported to the sputtering processing apparatus within 6 hours after the above processing and subjected to the sputtering processing. The sputtering process was performed using a holder dedicated to the cut plate. In this holder, four rectangular cut plate samples having a side length of 180 mm × 250 mm can be simultaneously fixed. The cut plate that had been dried after the acid treatment was cut into this size and shape and fixed to the holder.

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

減圧室には、上述の切り板用ホルダが、一度に30セット搬入可能であり、これらのホルダを枚様方式で装置内に送り出し可能な治具、およびコイルから帯状の基材を送り出すアンコイラーが設けられている。前処理室には、1つのボンバードゾーンがあり、第1および第2スパッタリング処理室には、それぞれ、2つのスパッタリングゾーンがあり、各ゾーンは、独立に条件設定可能である。復圧室には、上述の切り板用ホルダを、一度に30セットの収容可能であり、これらのホルダを枚様方式で受け入れ可能な治具、および帯状の基材を巻き取るコイラーが設けられている。   The decompression chamber can carry 30 sets of the above-mentioned cutting plate holders at a time, a jig that can feed these holders into the apparatus in a sheet-like manner, and an uncoiler that feeds a strip-shaped substrate from the coil Is provided. The pretreatment chamber has one bombard zone, the first and second sputtering treatment chambers each have two sputtering zones, and the conditions of each zone can be set independently. The return pressure chamber is provided with a holder for the above-described cutting plate at a time, 30 jigs that can receive these holders in a sheet-like manner, and a coiler that winds a belt-like substrate. ing.

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

減圧室と前処理室との間の仕切り扉が閉じられているときは、ホルダを搬入するために、減圧室を大気開放しても、前処理室へ大気が流入することはない。復圧室と第2スパッタリング処理室との間の仕切り扉が閉じられているときは、ホルダを搬出するために、復圧室を大気開放しても、第2スパッタリング処理室へ大気が流入することはない。これにより、減圧室へのホルダの搬入時、および復圧室からのホルダの搬出時に、前処理室、ならびに第1および第2スパッタリング処理室内の圧力を、たとえば、5×10-3mmHg(6.7×10-1Pa)を超えない範囲で制御可能である。また、各室の圧力、および雰囲気は、個別に制約はあったが、独立に制御が可能である。 When the partition door between the decompression chamber and the pretreatment chamber is closed, the atmosphere will not flow into the pretreatment chamber even if the decompression chamber is opened to the atmosphere in order to carry in the holder. When the partition door between the return pressure chamber and the second sputtering treatment chamber is closed, the atmosphere flows into the second sputtering treatment chamber even if the return pressure chamber is opened to the atmosphere in order to carry out the holder. There is nothing. Accordingly, when the holder is carried into the decompression chamber and when the holder is carried out from the decompression chamber, the pressure in the pretreatment chamber and the first and second sputtering treatment chambers is set to, for example, 5 × 10 −3 mmHg (6 .7 × 10 −1 Pa) can be controlled within a range not exceeding. Further, the pressure and atmosphere of each chamber are individually restricted, but can be controlled independently.

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

前処理室には、予備加熱装置が設置されており、この予備加熱装置により、通電加熱された発熱体の輻射熱で、基材を、ホルダ背面より予熱することができる。第1および第2のスパッタリング処理室では、スパッタリング処理中の基材の温度を、基材背面側で測定可能である。前処理室、ならびに第1および第2のスパッタリング処理室内では、5×10-3mmHg(6.7×10-1Pa)の減圧状態にしている限り、基材に熱が与えられない状態でも、基材の温度低下は、極めて緩やかであった。 A preheating device is installed in the pretreatment chamber. With this preheating device, the base material can be preheated from the back surface of the holder by the radiant heat of the heating element that is energized and heated. In the first and second sputtering processing chambers, the temperature of the substrate during the sputtering process can be measured on the back side of the substrate. In the pretreatment chamber and the first and second sputtering treatment chambers, as long as the pressure is reduced to 5 × 10 −3 mmHg (6.7 × 10 −1 Pa), the substrate is not heated. The temperature drop of the substrate was extremely gradual.

次に、基材に対する表面被覆層の形成方法および条件について説明する。前処理室で、基材表面に対するボンバード処理を行い、第1および第2スパッタリング処理室で、この基材に対してスパッタリング処理を行うことにより、表面被覆層を形成した。   Next, the formation method and conditions of the surface coating layer with respect to a base material are demonstrated. The surface coating layer was formed by performing a bombarding process on the substrate surface in the pretreatment chamber and performing a sputtering process on the substrate in the first and second sputtering chambers.

4つのホルダを用意し、各ホルダに、素材1〜4からなる切り板を1枚ずつ、人手により取り付け、この4つのホルダを、装置内に搬入して処理を行なった。減圧室の大気開放用扉を閉めて、減圧室内の排気を開始し、減圧室および前処理室の圧力が、2×10-5Torr(2.7×10-3Pa)となったところで、H2ガスとArガスとを、同時に装置内に導入した。減圧室および前処理室の圧力は、1.2×10-2Torr(1.6Pa)とした。H2ガスとして、純度が99.999体積%を超える市販の工業用高純度H2ガスを用いた。Arガスとして、純度が99.999体積%を超える市販の工業用高純度Arガスを用いた。H2ガスおよびArガスは、それぞれ流量調整することにより、体積比でH2濃度が6%となるように調整した。 Four holders were prepared, and a cutting plate made of materials 1 to 4 was manually attached to each holder, and these four holders were carried into the apparatus for processing. Close the atmosphere release door of the decompression chamber and start exhausting the decompression chamber. When the pressure in the decompression chamber and the pretreatment chamber becomes 2 × 10 −5 Torr (2.7 × 10 −3 Pa), H 2 gas and Ar gas were simultaneously introduced into the apparatus. The pressure in the decompression chamber and the pretreatment chamber was 1.2 × 10 −2 Torr (1.6 Pa). As the H 2 gas, a commercial industrial high purity H 2 gas having a purity exceeding 99.999% by volume was used. As the Ar gas, a commercial industrial high purity Ar gas having a purity exceeding 99.999% by volume was used. The H 2 gas and Ar gas were adjusted so that the H 2 concentration was 6% by volume by adjusting the flow rate.

2ガスおよびArガスの導入を20分間維持した後に、減圧室と前処理室との間の仕切り扉を開放して、減圧室から前処理室へのホルダの移送を開始した。ホルダの移送速度は、可変であるが、10cm/分とした。前処理室内において、予備加熱装置からの輻射熱を与えることにより、基材温度を、230〜250℃に予備加熱した。 After maintaining the introduction of H 2 gas and Ar gas for 20 minutes, the partition door between the decompression chamber and the pretreatment chamber was opened, and the transfer of the holder from the decompression chamber to the pretreatment chamber was started. The transfer speed of the holder was variable, but was 10 cm / min. In the pretreatment chamber, the substrate temperature was preheated to 230 to 250 ° C. by applying radiant heat from the preheating device.

ボンバード処理中、およびスパッタリング処理中は、ホルダを自転させた。
前処理室内では、ArおよびH2の雰囲気でイオンボンバード処理を行ない、基材最表層に吸着していた水分、ならびに薄い水酸化物層および酸化物皮膜層を、完全に除去した。
During the bombardment process and the sputtering process, the holder was rotated.
In the pretreatment chamber, ion bombardment was performed in an atmosphere of Ar and H 2 to completely remove moisture adsorbed on the outermost layer of the base material, and a thin hydroxide layer and oxide film layer.

次に、一部の基材を除き、第1および第2スパッタリング処理室で、Alターゲットを用いて、基材に対して、スパッタリング処理による成膜を行なった。Alスパッタリング処理中、目標とする基材の最高到達温度は、400℃以下とした。水冷による基材の温度制御は、実施せず、基材温度は、400℃を超えないように、スパッタリング条件で調整した。基材の温度を実測した結果、Alスパッタリング処理中の最高到達温度は、320〜360℃程度であった。   Next, with the exception of some of the base materials, film formation by sputtering treatment was performed on the base materials using Al targets in the first and second sputtering chambers. During the Al sputtering treatment, the maximum temperature reached by the target substrate was set to 400 ° C. or lower. The temperature control of the substrate by water cooling was not carried out, and the substrate temperature was adjusted under the sputtering conditions so as not to exceed 400 ° C. As a result of actually measuring the temperature of the substrate, the highest temperature reached during the Al sputtering treatment was about 320 to 360 ° C.

スパッタリング処理で基材表面に形成されるAl層の厚さは、スパッタリング条件と、ライン内の励起するAlターゲットの数、スパッタリングゾーンでのホルダの搬送速度で調整した。成膜後のAl層、すなわち、表面被覆層の厚さの目標を、35nm、100nm、250nm、および350nmに設定して、スパッタリング処理を行なった。これにより、基材と、基材の上(最表層)に形成された表面被覆層とを備えたチタン材を得た。   The thickness of the Al layer formed on the substrate surface by the sputtering treatment was adjusted by sputtering conditions, the number of Al targets to be excited in the line, and the conveyance speed of the holder in the sputtering zone. Sputtering was performed by setting the target thickness of the Al layer after film formation, that is, the surface coating layer, to 35 nm, 100 nm, 250 nm, and 350 nm. This obtained the titanium material provided with the base material and the surface coating layer formed on the base material (outermost layer).

得られたチタン材について、以下に説明する評価を行った。表2に、チタン材の評価結果を示す。   The obtained titanium material was evaluated as described below. Table 2 shows the evaluation results of the titanium material.

Figure 2017016929
Figure 2017016929

比較例1および6の切り板は、酸処理ラインによる処理を行っていない。このため、比較例1および6についての表面粗さは、未処理の切り板について測定したものとした。他のチタン材の表面粗さは、いずれも、酸処理ラインで処理した後の切り板に測定したものである。   The cut plates of Comparative Examples 1 and 6 are not treated by the acid treatment line. For this reason, the surface roughness for Comparative Examples 1 and 6 was measured for an untreated cut plate. The surface roughness of the other titanium materials is measured on the cut plate after being treated with the acid treatment line.

表面被覆層の厚さは、スパッタリング処理装置による処理前と処理後との重量変化によるAl付着量から求める方法、およびAl層形成領域とAl層非形成領域との間の段差の高さをSEM写真から求める方法で評価した。スパッタリングによる成膜前の基材において、端部の平坦部表面には、日東電工製マスキング用耐熱テープを貼っておき、このテープを含む領域に成膜し、成膜完了後に、このテープを剥がすことにより、上述の段差を得た。基材表面の凹凸が大きい場合であっても、Al層の面内の厚さ変化は5%以内であることを事前に確認していた。   The thickness of the surface coating layer is determined by a method of obtaining from the Al adhesion amount due to the weight change before and after the treatment by the sputtering apparatus, and the height of the step between the Al layer formation region and the Al layer non-formation region. It evaluated by the method which asks from a photograph. In the base material before film formation by sputtering, a heat-resistant tape for masking made by Nitto Denko is pasted on the surface of the flat part at the end, and the film is formed in an area including this tape, and after the film formation is completed, this tape is peeled off. As a result, the above steps were obtained. Even when the unevenness of the substrate surface is large, it has been confirmed in advance that the in-plane thickness change of the Al layer is within 5%.

表面被覆層の密着性を、チタン材端部の平坦部表面におけるテープ剥離試験により評価した。テープとしては、市販のニチバン社製24mm幅のセロテープ(登録商標、品番:CT405AP−24)を用いた。このセロテープ(登録商標)を、上記平坦部表面に貼り付け、剥がした後、このセロテープ(登録商標)の接着面に存在する剥離したAlの有無および量を目視で評価し、ランク分け評価した。ランクは、Alの剥離量の少なさにより、「良好」(○)、または「劣る」(△)とした。目視評価は、セロテープ(登録商標)接着面に付着したAlを確認し易くするために、黒色のケント紙上に、セロテープ(登録商標)を貼り付けて行った。厚さが3000nm(3μm)を超える表面被覆層の密着性は、劣っていた。   The adhesion of the surface coating layer was evaluated by a tape peeling test on the surface of the flat portion at the end of the titanium material. As the tape, a commercially available 24 mm wide cello tape (registered trademark, product number: CT405AP-24) manufactured by Nichiban Co., Ltd. was used. After this cello tape (registered trademark) was affixed to and peeled off from the surface of the flat part, the presence and amount of peeled Al present on the adhesive surface of the cello tape (registered trademark) were visually evaluated and evaluated by rank. The rank was determined as “good” (◯) or “inferior” (Δ) depending on the small amount of peeling of Al. The visual evaluation was performed by pasting the cello tape (registered trademark) on black Kent paper in order to make it easier to confirm Al adhering to the adhesive surface of the cello tape (registered trademark). The adhesion of the surface coating layer with a thickness exceeding 3000 nm (3 μm) was inferior.

常温引っ張り特性伸び(%)は、長手方向採取したJIS13号B試験片を用いて実施した常温評価結果である。素材のFe、O、C、およびNの含有率と、伸びとの相関が認められる。すなわち、これらの元素の含有率が多い素材を用いたチタン材ほど、伸びが小さい傾向がある。具体的には、基材に素材3を用いたチタン材の伸びは、基材に、素材1を用いたチタン材、および素材2を用いたチタン材に比して小さい。   The room temperature tensile property elongation (%) is a result of room temperature evaluation carried out using a JIS No. 13 B specimen taken in the longitudinal direction. A correlation between the content of Fe, O, C, and N of the material and the elongation is observed. That is, a titanium material using a material having a high content of these elements tends to have a smaller elongation. Specifically, the elongation of the titanium material using the material 3 as the base material is smaller than that of the titanium material using the material 1 and the titanium material using the material 2 as the base material.

セパレータ成形評価は、80トンの単動プレス機、およびこのプレス機用に作製した評価用金型を用いて、チタン材をプレス成形したときの成形性を評価したものである。この評価用金型により、チタン材に、幅が1mm、長さが110mm、高さが0.7mmの直線流路(図1Bに示す流路6a、6bと同様の溝)が30本成形された。これにより、固体高分子形燃料電池セパレータのプレス成形に耐えられる加工性を有しているか否かを、実験室レベルで、スクリーニング評価することが可能であった。割れが認められなかったものを、「良好」(○)とし、割れがみとめられたものを、「劣る」(×)とした。割れが認められたチタン材では、屈曲部で簾状の著しい割れが生じていた。   The separator molding evaluation is an evaluation of the formability when a titanium material is press-molded using an 80-ton single-acting press and an evaluation die produced for the press. Thirty straight channels (similar to the channels 6a and 6b shown in FIG. 1B) having a width of 1 mm, a length of 110 mm, and a height of 0.7 mm are formed on the titanium material by this evaluation die. It was. Accordingly, it was possible to conduct screening evaluation at a laboratory level to determine whether or not the solid polymer fuel cell separator has processability to withstand press molding. Those in which no cracks were observed were defined as “good” (◯), and those in which cracks were observed were defined as “poor” (×). In the titanium material in which the crack was recognized, the remarkable crack of the hook shape had arisen in the bending part.

セパレータ成形評価の結果は、基材に素材1または2を用いたチタン材では、いずれも良好であったのに対して、基材に素材3を用いたチタン材では、いずれも劣っていた。これは、基材に素材1または2を用いたチタン材に比して、基材に素材3を用いたチタン材の延性が低かったことに起因していると考えられる。   The results of the separator molding evaluation were all good for the titanium material using the material 1 or 2 as the base material, but were inferior in the titanium material using the material 3 as the base material. This is considered to be because the ductility of the titanium material using the material 3 as the base material was lower than that of the titanium material using the material 1 or 2 as the base material.

セパレータを燃料電池に組み込む前に行われる表面改質処理の一例として、150mm×150mmの大きさのチタン材に対して、Auターゲットを用いたスパッタリング処理を行なって、Auを主体とする表面改質層を形成した。表面被覆層が形成されたチタン材については、ボンバード処理により、表面被覆層の大部分を除去してから、表面改質層を形成した。表面改質層の厚さは、平均目付量で、50nm(目標)とした。   As an example of the surface modification process that is performed before the separator is incorporated into the fuel cell, a surface modification mainly including Au is performed on a titanium material having a size of 150 mm × 150 mm by performing a sputtering process using an Au target. A layer was formed. For the titanium material on which the surface coating layer was formed, the surface modification layer was formed after removing most of the surface coating layer by bombarding. The thickness of the surface modification layer was 50 nm (target) in terms of an average basis weight.

表面改質層について、表面被覆層に対する密着性評価と同様の評価により、密着性を評価した。表2に示すように、本発明の実施例であるチタン材については、密着性は良好であり、実質的に表面改質層の剥離は生じなかった。一方、本発明の要件を満たさない比較例のチタン材については、密着性は良好ではなく、程度の差はあるものの表面改質層の剥離が生じた。   For the surface modified layer, the adhesion was evaluated by the same evaluation as the adhesion evaluation for the surface coating layer. As shown in Table 2, the titanium material which is an example of the present invention had good adhesion, and the surface-modified layer was not substantially peeled off. On the other hand, the titanium material of the comparative example that does not satisfy the requirements of the present invention did not have good adhesion, and the surface-modified layer was peeled although there was a difference in degree.

素材5を用い、表面被覆層を形成しなかった比較例16のチタン材(表3参照)では、Auスパッタリング処理後の基材の酸素含有率は、素材5の酸素量に比較して、121ppm高い値となっていた。これに対して、実施例10〜14のチタン材では、Auスパッタリング処理後の基材の酸素含有率の上昇量は、いずれも20ppm以下であった。表面被覆層により、基材の酸素含有率が上昇することを抑制できたことがわかる。   In the titanium material of Comparative Example 16 in which the material 5 was used and the surface coating layer was not formed (see Table 3), the oxygen content of the base material after the Au sputtering treatment was 121 ppm compared to the oxygen amount of the material 5. It was a high value. On the other hand, in the titanium materials of Examples 10 to 14, the amount of increase in the oxygen content of the base material after the Au sputtering treatment was 20 ppm or less. It turns out that the oxygen content rate of the base material could be suppressed by the surface coating layer.

〈第2実施例〉
表1中の素材5および素材6のコイルを用いて、量産工程を模擬したチタン材の試作を行った。量産時には、順送りプレス金型を用いて、少なくとも毎分60枚程度の連続プレス加工を行うことが必要である。
<Second embodiment>
Trial manufacture of the titanium material which simulated the mass production process was performed using the coil of the raw material 5 and the raw material 6 in Table 1. At the time of mass production, it is necessary to perform continuous pressing at least about 60 sheets per minute using a progressive press die.

プレス加工を行う前に基材の表面粗さの調整を行うと、粗さが調整された表面を損なうとともに、この表面を潤滑油などで汚すこととなり、また、表面が粗いコイル素材をプレス加工することになるので、金型の損耗が大きくなる。そこで、光輝焼鈍仕様そのままのコイルを用いて、500トンプレス機による順送りプレス加工を行ない、プレス後のセパレータ形状の基材に対して、酸処理による表面粗さ調整、および表面被覆膜の形成を施す工程を採用した。   If the surface roughness of the base material is adjusted before pressing, the surface with the adjusted roughness will be damaged, and this surface will be stained with lubricating oil, and the coil material with a rough surface will be pressed. As a result, the wear of the mold increases. Therefore, using a coil with bright annealing specifications as it is, progressive press processing is performed by a 500-ton press, and surface roughness adjustment by acid treatment and formation of a surface coating film are performed on a separator-shaped substrate after pressing. The process of applying was adopted.

以下に、チタン材の製造方法について、詳細に説明する。
素材5および素材6のコイルは、合紙を挿入した状態のものとした。1つのコイルをアンコイラーにセッティングし、コイラーにより順送りプレス速度で巻き取りながら、素材に対して、所定の形状に、プレス成形加工、および抜き加工を施した。セパレータ形状は、3本の流路(溝)が形成されたサーペンタイン型であり、反応ガスが流れる電池反応面積は100cm2であった。流路部分の山谷深さは、0.60mmであった。山谷の幅は1mm間隔であった。加工の際に、素材に割れが生じたか否かを調査し、セパレータ成形評価とした。
Below, the manufacturing method of a titanium material is demonstrated in detail.
The coils of the material 5 and the material 6 were in a state in which a slip sheet was inserted. One coil was set on an uncoiler, and the material was press-molded and punched into a predetermined shape while being wound at a progressive press speed by the coiler. The separator shape was a serpentine type in which three flow paths (grooves) were formed, and the cell reaction area through which the reaction gas flows was 100 cm 2 . The depth of the valley in the channel portion was 0.60 mm. The width of the mountain valley was 1 mm. Whether or not cracking occurred in the raw material during the processing was evaluated as separator molding evaluation.

表3に、評価結果を示す。   Table 3 shows the evaluation results.

Figure 2017016929
Figure 2017016929

表3に示すように、素材5は、伸び値が大きく、セパレータ成形評価の結果、割れを生ずることなく成形できたことが確認された。一方、素材6は、伸び値は小さく、セパレータ成形評価の結果、割れが多発していることが確認された。素材6の割れは、プレス成形の段階で発生した。これらの結果は、本発明における基材の要件を、素材5は満たしているのに対して、素材6は満たしていないことに対応している。   As shown in Table 3, the material 5 had a large elongation value, and as a result of separator molding evaluation, it was confirmed that the material 5 could be molded without causing cracks. On the other hand, the material 6 had a small elongation value, and as a result of separator molding evaluation, it was confirmed that many cracks occurred. The crack of the raw material 6 occurred in the press molding stage. These results correspond to the requirement of the base material in the present invention, in which the material 5 satisfies the requirement but the material 6 does not.

同じ比較例の成形品で、外観を目視した評価により、割れが発生していないと判断できるものも存在したので、そのような割れを発生していないと判断できる成形品を用いて、以下の評価を継続した。   In the same comparative example, there was a molded product that can be judged as having no cracks by visual evaluation of the appearance. Evaluation continued.

以上の工程を経た成形品の表面には、ごくわずかであるがプレス油が付着しているとともに、コイルを光輝焼鈍処理した際に形成された高温酸化皮膜が存在していた。   A very small amount of press oil was adhered to the surface of the molded product that had undergone the above steps, and a high-temperature oxide film formed when the coil was brightly annealed was present.

次に、第1実施例で用いた酸処理ラインを用い、第1実施例での方法および条件により、成形品表面の表面粗さ調整を行って、表面被覆層を形成する対象とする基材を得た。この酸処理ラインによる処理により、上述のプレス油、および高温酸化皮膜は、除去された。この基材に対して、第1実施例で用いたものと同じスパッタリング処理装置で、Alのスパッタリング処理を行い、表面被覆層が形成されたチタン材とした。セパレータ形状の基材に適合するホルダを用いたこと、およびスパッタリング処理装置にArガスのみを導入して、スパッタリング処理の雰囲気としたこと以外は、第1実施例と実質的に同じ方法および条件により、表面被覆層を形成した。ただし、比較例16、17、20、および21の基材には、表面被覆層を形成しなかった。   Next, using the acid treatment line used in the first example, the surface of the molded article is adjusted by the method and conditions in the first example to form a surface coating layer. Got. The above-described press oil and high-temperature oxide film were removed by the treatment using this acid treatment line. With respect to this base material, the same sputtering processing apparatus as used in the first example was used to perform Al sputtering processing to obtain a titanium material on which a surface coating layer was formed. By substantially the same method and conditions as in the first embodiment, except that a holder suitable for the separator-shaped base material was used and that only Ar gas was introduced into the sputtering processing apparatus to create an atmosphere for the sputtering processing. A surface coating layer was formed. However, the surface coating layer was not formed on the base materials of Comparative Examples 16, 17, 20, and 21.

第1実施例と同様に、表面被覆層を形成しなかったチタン材、および表面被覆層の厚さが本発明の要件を満たさないチタン材では、表面被覆層の密着性が良好ではなかった。   As in the first example, the titanium material in which the surface coating layer was not formed and the titanium material in which the thickness of the surface coating layer did not satisfy the requirements of the present invention were not good in adhesion of the surface coating layer.

これらのチタン材に対して、第1実施例と同様にして、Auを主体とした表面改質層を形成し、この表面改質層の密着性を評価した。表面被覆層を形成しなかったチタン材、および表面被覆層の厚さが本発明の要件を満たさないチタン材では、表面改質層の密着性は良好ではなかった。   A surface modified layer mainly composed of Au was formed on these titanium materials in the same manner as in the first example, and the adhesion of the surface modified layer was evaluated. In the titanium material in which the surface coating layer was not formed and the titanium material in which the thickness of the surface coating layer does not satisfy the requirements of the present invention, the adhesion of the surface modification layer was not good.

さらに、これらの表面改質層が形成されたチタン材をセパレータとして用いて、固体高分子形燃料電池を作製し、2000時間運転後のセル電圧を測定した。燃料電池の運転条件は、水素、および酸素の利用率を40%で一定とし、電流密度を0.1A/cm2の定電流とした。これは、家庭用据え置き型燃料電池の運転評価環境を模擬した条件である。評価条件でのセル電圧は、運転直後は0.788V程度であるが、次第に低下した。表3では、2000時間運転後のセル電圧が、0.750Vを超えたものを、「良好」(○)、0.750V以下のものを、「劣る」(×)としている。 Furthermore, a solid polymer fuel cell was produced using the titanium material on which these surface modified layers were formed as a separator, and the cell voltage after 2000 hours of operation was measured. The operating conditions of the fuel cell were such that the utilization rate of hydrogen and oxygen was constant at 40%, and the current density was a constant current of 0.1 A / cm 2 . This is a condition that simulates the operation evaluation environment of a home stationary fuel cell. The cell voltage under the evaluation conditions was about 0.788 V immediately after the operation, but gradually decreased. In Table 3, when the cell voltage after 2000 hours of operation exceeds 0.750 V, “good” (◯), and 0.750 V or less as “poor” (×).

本発明の要件を満たさないチタン材から製造したセパレータを用いた場合は、本発明の要件を満たすチタン材から製造したセパレータを用いた場合に比して、燃料電池のセル電圧が低かった。   When a separator manufactured from a titanium material that does not satisfy the requirements of the present invention was used, the cell voltage of the fuel cell was lower than when a separator manufactured from a titanium material that satisfied the requirements of the present invention was used.

参考例として、表面に平均目付量として、50nmのシアン浴Auめっき処理したSUS316L製セパレータを用いて、上記チタン材を用いたときと同様の固体高分子形燃料電池を作製し、同じ条件で特性評価した。シアン浴めっき処理前に、SUS316Lに対して、表面粗さを調整するための酸液処理を行い、このSUS316Lの表面粗さを、本発明において規定する表面粗さに調整した。SUS316Lを用いた場合について、表3に、比較例29、30として示す。SUS316Lに対してシアン浴による金めっき処理をして得たセパレータは、燃料電池のセル電圧を高く維持できるという点で望ましいものである。本発明の実施例のチタン材からは、いずれも、これらの金めっきしたSUS316L製セパレータと同等のセル電圧特性を有するセパレータを、容易に製造できた。   As a reference example, using a SUS316L separator treated with 50 nm cyan bath Au plating as an average basis weight on the surface, a polymer electrolyte fuel cell similar to that when using the above titanium material was prepared, and the characteristics were the same under the same conditions. evaluated. Before the cyan bath plating treatment, an acid solution treatment for adjusting the surface roughness was performed on SUS316L, and the surface roughness of SUS316L was adjusted to the surface roughness defined in the present invention. The case where SUS316L is used is shown in Table 3 as Comparative Examples 29 and 30. A separator obtained by subjecting SUS316L to gold plating using a cyan bath is desirable in that the cell voltage of the fuel cell can be maintained high. Any of the titanium materials of the examples of the present invention could easily produce a separator having cell voltage characteristics equivalent to these gold-plated SUS316L separators.

1:燃料電池、 5a、5b:セパレータ     1: Fuel cell 5a, 5b: Separator

Claims (1)

固体高分子形燃料電池のセパレータ用チタン材であって、
基材と、
前記基材の上で最表層に形成されたAlを主体とする表面被覆層とを備え、
前記基材の表面粗さが、Ra値で、0.12〜4μmであり、
前記基材が、質量%で、
Fe:0.1%以下、
O:0.11%以下
を含有し、前記基材の残部が、Tiおよび不純物からなり、
前記表面被覆層の平均厚さが、200nm以上、3μm以下である、チタン材。
A titanium material for a separator of a polymer electrolyte fuel cell,
A substrate;
A surface coating layer mainly composed of Al formed on the outermost layer on the substrate;
The surface roughness of the substrate is Ra value of 0.12 to 4 μm,
The base material is in mass%,
Fe: 0.1% or less,
O: 0.11% or less, the balance of the base material consists of Ti and impurities,
The titanium material whose average thickness of the said surface coating layer is 200 nm or more and 3 micrometers or less.
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