JP2020193355A - 燃料電池用セパレータ材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示の目的は、導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を製造することができる製造方法を提供することである。【解決手段】本実施形態は、チタン基材と、該チタン基材の上に、炭素粒子及び酸化チタンを含む混合層と、を備える燃料電池用セパレータ材を製造する方法であって、前記チタン基材を圧延する圧延工程と、前記圧延工程後に、前記チタン基材を焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後に、前記チタン基材の表面に前記炭素粒子を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に、前記チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、前記酸化チタンを形成する酸化処理工程と、を含み、前記焼鈍工程が、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が所定式(A)を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法である。【選択図】図1
Description
本開示は、燃料電池用セパレータ材の製造方法に関する。
燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ構造体を単セルとして備える。また、燃料電池は、ガス(水素、酸素等)の流路となる溝が形成されたセパレータ(バイポーラプレートとも呼ばれる)を介して前記単セルを複数個重ね合わせたスタックとして構成される。燃料電池は、スタックあたりのセル数を増やすことで、出力を高くすることができる。
燃料電池用のセパレータは、発生した電流を冷却水(FCC)が流れる面を介して隣のセルに流す役割も担っている。そのため、セパレータを製造するためのセパレータ材には、高い導電性及びその高い導電性が燃料電池のセル内の雰囲気中においても長期間維持されることが要求される。ここで、高い導電性とは、接触抵抗が低いことを意味する。また、接触抵抗とは、電極とセパレータ表面との間で、界面現象のために電圧降下が生じることをいう。
例えば、特許文献1には、純チタン又はチタン合金からなる基材上に、酸化チタンとカーボンブラックが混合した混合層が形成されており、前記酸化チタンが結晶性のルチルを含み、前記混合層中のカーボンの結合状態をX線光電子分光分析により分析した際に検出されたカーボンのうちの70%以上がC−C結合を有するカーボンブラック単体として存在していることを特徴とする燃料電池用セパレータ材が開示されている。特許文献1には、カーボンブラックは導電性に優れており、また、酸化チタンは耐食性に優れているため、特許文献1に記載の燃料電池用セパレータ材は高い導電性及び導電耐久性を有することが記載されている。
燃料電池用セパレータ材には、高い導電性(低い接触抵抗)に加え、優れたプレス加工性が要求される。特許文献1のような酸化チタンとカーボンブラックを含む層を備えるセパレータ材は、導電性及びプレス加工性の両立という点においてさらなる改善が望まれている。
そこで、本開示の目的は、導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を製造することができる製造方法を提供することである。
そこで、本実施形態の態様例は以下の通りである。
(1) チタン基材と、該チタン基材の上に、炭素粒子及び酸化チタンを含む混合層と、を備える燃料電池用セパレータ材を製造する方法であって、
前記チタン基材を圧延する圧延工程と、
前記圧延工程後に、前記チタン基材を焼鈍する焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後に、前記チタン基材の表面に前記炭素粒子を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後に、前記チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、前記酸化チタンを形成する酸化処理工程と、
を含み、
前記焼鈍工程が、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法。
(2) 前記酸化雰囲気の酸素分圧が、25Pa以下である、(1)に記載の燃料電池用セパレータ材の製造方法。
(3) 加熱時間が、250秒以下である、(1)又は(2)に記載の燃料電池用セパレータ材の製造方法。
前記チタン基材を圧延する圧延工程と、
前記圧延工程後に、前記チタン基材を焼鈍する焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後に、前記チタン基材の表面に前記炭素粒子を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後に、前記チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、前記酸化チタンを形成する酸化処理工程と、
を含み、
前記焼鈍工程が、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法。
(2) 前記酸化雰囲気の酸素分圧が、25Pa以下である、(1)に記載の燃料電池用セパレータ材の製造方法。
(3) 加熱時間が、250秒以下である、(1)又は(2)に記載の燃料電池用セパレータ材の製造方法。
本開示により、導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を製造することができる製造方法を提供することができる。
本実施形態は、チタン基材と、該チタン基材の上に、炭素粒子及び酸化チタンを含む混合層と、を備える燃料電池用セパレータ材を製造する方法であって、前記チタン基材を圧延する圧延工程と、前記圧延工程後に、前記チタン基材を焼鈍する焼鈍工程と、前記焼鈍工程後に、前記チタン基材の表面に前記炭素粒子を塗布する塗布工程と、前記塗布工程後に、前記チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、前記酸化チタンを形成する酸化処理工程と、を含み、前記焼鈍工程が、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法である。
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法である。
本実施形態に係る製造方法により、導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を製造することができる製造方法を提供することができる。
以下、適宜図面を参照して、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法について詳細に説明する。
<燃料電池用セパレータ材>
まず、本実施形態に係る製造方法により製造される燃料電池用セパレータ材の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の構成を説明する概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材1は、チタン基材2上に、混合層3が形成されている。混合層3は、酸化チタン4と、該酸化チタン4中に分散した炭素粒子5とを含む。炭素粒子5は、混合層3のマトリックスとしての酸化チタン4中に埋まっている。なお、該断面は、基材の面方向に対して平行な面による断面であってもよく、面方向に対して垂直な面による断面であってもよく、面方向に対して斜めとなる面による断面であってもよい。炭素粒子5は、酸化チタン4の表面(図1において上側の面)から酸化チタン4とチタン基材2との界面まで分散しており、電流を流す導電パスとして存在する。
まず、本実施形態に係る製造方法により製造される燃料電池用セパレータ材の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の構成を説明する概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材1は、チタン基材2上に、混合層3が形成されている。混合層3は、酸化チタン4と、該酸化チタン4中に分散した炭素粒子5とを含む。炭素粒子5は、混合層3のマトリックスとしての酸化チタン4中に埋まっている。なお、該断面は、基材の面方向に対して平行な面による断面であってもよく、面方向に対して垂直な面による断面であってもよく、面方向に対して斜めとなる面による断面であってもよい。炭素粒子5は、酸化チタン4の表面(図1において上側の面)から酸化チタン4とチタン基材2との界面まで分散しており、電流を流す導電パスとして存在する。
チタン基材は、純チタン又はチタン合金から構成される基材である。純チタンとしては、例えば、JIS H 4600に規定されるものを挙げることができる。また、チタン合金としては、例えば、Ti−Al、Ti−Nb、Ti−Ta、Ti−6Al−4V、Ti−Pdを挙げることができる。ただし、いずれの場合もこれらの例示に限定するものではない。純チタン又はチタン合金製のチタン基材は、軽く、耐食性に優れている。また、チタン基材の表面に混合層に被覆されずに露出している部分があったとしても、燃料電池内の高温酸性雰囲気(例えば、80℃、pH2)でチタン又はチタン合金が溶出せず、固体高分子膜を劣化させる恐れがない。チタン基材としては、相構造がα相であるものが好ましく用いられる。また、一般的に、純チタンは、チタン合金に比べて、優れたプレス加工性を有する。そのため、チタン基材は、純チタンを用いることが好ましい。
チタン基材は、例えば、冷間圧延材である。
チタン基材の厚さは、例えば、0.05〜1mmである。厚さがこの範囲であると、セパレータの軽量化及び薄型化の要求を満足し易く、セパレータ材としての強度及びハンドリング性を備える。そのため、セパレータ材をセパレータの形状にプレス加工することが比較的容易となる。チタン基材の形状は、コイル状に巻かれた長尺帯状であってもよく、所定の寸法に切断された枚葉紙状であってもよい。
炭素粒子は、炭素で構成される粒子であり、例えば、カーボンブラック、黒鉛、Bドーピングダイヤモンド粒子、Nドーピングダイヤモンド粒子等が挙げられる。炭素粒子は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。カーボンブラックは、無定形炭素から成る鎖状構造を持つ炭素粒子である。カーボンブラックは、その製造方法によってファーネスブラック、アセチレンブラック又はサーマルブラック等に分類されるが、いずれも使用可能である。黒鉛としては、人造黒鉛又は天然黒鉛が挙げられる。
炭素粒子の平均粒径は、20〜200nmであることが好ましい。炭素粒子の平均粒径が20nm以上である場合、後述の酸化処理工程における酸化による消滅を抑制し易くなる。また、炭素粒子の平均粒径が200nm以下である場合、混合層中に保持し易くなる。なお、この平均粒径(一次粒子径)は、透過型電子顕微鏡画像(TEM画像)において無作為に選択した100個の炭素粒子の直径(円相当径)の平均値である。
混合層において、酸化チタン中に導電性を有する炭素粒子が含有されている。該炭素粒子は、電流を流す導電パスとしての役割を果たす。混合層中に含まれている炭素粒子の存在により、本実施形態に係るセパレータ材は、優れた導電性を有する。また、カーボンブラック等の炭素粒子は酸化に対して安定であるため、導電性が安定的に維持される。
酸化チタンは、例えば、TiOx(1<x≦2)で表される酸化チタンから構成される。混合層中の酸化チタンは、ルチル型の結晶構造を含むことが好ましい。ルチル型の結晶構造部分は導電耐食性に優れる。
混合層の厚さは、10〜500nmであることが好ましい。混合層の厚さが10nm以上である場合、炭素粒子を保持し易くなり、導電性を効果的に向上することができる。また、混合層の厚さが500nm以下である場合、燃料電池用セパレータ材にガス流路を形成するためのプレス加工を行う際に、チタン基材から混合層が剥離し難くなる。
なお、混合層の上に、炭素粒子の層が形成されていてもよい。この炭素粒子の層は、例えば、混合層の形成に用いられた炭素粒子が残存したものである。また、一実施形態において、このような炭素粒子の層は、洗浄等により除去される。また、混合層はチタン基材の片面のみに形成してもよく、チタン基材の両面に形成してもよい。
<燃料電池用セパレータ材の製造方法>
図2は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法を説明するためのフローチャートである。図2に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法は、圧延工程S1と、焼鈍工程S2と、塗布工程S3と、酸化処理工程S4と、を含み、これらの工程がこの順で行われる。
図2は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法を説明するためのフローチャートである。図2に示すように、本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法は、圧延工程S1と、焼鈍工程S2と、塗布工程S3と、酸化処理工程S4と、を含み、これらの工程がこの順で行われる。
(圧延工程)
まず、チタン基材を圧延する(圧延工程S1)。
まず、チタン基材を圧延する(圧延工程S1)。
圧延方法としては、例えば、熱間圧延又は冷間圧延等を挙げることができる。圧延方法は、冷間圧延であることが好ましい。なお、冷間圧延の1パスあたりの圧下率を10%以下で行うことが好ましい。これにより、チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度を低く抑えることができる。
具体的には、チタン基材を狙いの厚さに圧延してコイルに巻き取ることができる。必要に応じて、圧延油を除去する脱脂工程を含んでもよい。
(焼鈍工程)
次に、圧延工程後に、チタン基材を焼鈍する(焼鈍工程S2)。この焼鈍工程は、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる。
次に、圧延工程後に、チタン基材を焼鈍する(焼鈍工程S2)。この焼鈍工程は、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる。
この焼鈍工程により、チタン基材表面の炭素濃度を低くすることができる。チタン基材表面の炭素濃度を低くすることにより、後工程の酸化処理工程における熱処理時に、チタン基材中のチタン原子が、塗布工程で塗布した炭素粒子間に外方拡散し易くなる。その結果、優れた導電性を得ることができる。具体的には、加熱温度(X)を650℃以上とすることにより、炭素原子の拡散を効果的に生じさせることができ、チタン基材表面の炭素濃度を低くすることができる。その結果、後工程の酸化処理工程において、チタン基材からチタンが炭素粒子間に外方拡散し易くなり、導電性を有する混合層を形成し易くなる。また、加熱温度(X)を850℃以下とすることにより、チタン基材のチタン構造がα型からβ型に変化することを抑制することができるため、プレス加工性を向上することができる。加熱温度(X)が上記範囲内であって加熱時間(Y)が式(A)を満たす場合、実施例で示される通り、チタン基材表面の炭素原子を十分に拡散させることができる。そのため、式(A)を満たすように加熱温度(X)及び加熱時間(Y)を選択して焼鈍することにより、優れた導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を得ることができる。
加熱時間(Y)は、250秒以下であることが好ましい。加熱時間を250秒以下とすることにより、生産性の低下を防ぐことができる。
式(A)において、加熱温度(X)は、焼鈍に用いる加熱炉の加熱手段(例えばヒータ)により調整することができる。加熱温度(X)は、加熱炉で加熱されたチタン基材そのものの温度を熱電対等で測定することにより把握することができる。また、加熱時間(Y)は、設定された加熱温度にチタン基材が維持される時間を意味する。設定された加熱温度にチタン基材が維持されるとは、チタン基材が設定温度の±10℃の範囲内に維持される時間を意味することが好ましい。
焼鈍後のチタン基材表面の炭素濃度について、チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度が10原子%以下であることが好ましい。チタン基材表面の炭素濃度が低いと、後工程の酸化処理工程においてチタン基材表面への炭素粒子の結合が生じ易くなる。その結果、チタン基材の表面に、チタン基材から外方拡散したチタン原子の一部又は全部が酸化した酸化チタンと炭素粒子とが混合した混合層を好適に形成することができる。チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度は低いほど好ましい。当該位置での炭素濃度は、8.0原子%以下であることが好ましく、5.0原子%以下であることがより好ましい。
チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度についてより詳しく説明する。チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度は、例えば、X線光電子分光分析装置(X-ray Photoelectron Spectroscopy;XPS)を用いて、深さ方向の組成分析を行うことにより測定することができる。なお、通常、チタン基材の表層からは、雰囲気中に存在する有機物等の吸着に起因する炭素が検出される。本明細書では、有機物等が吸着したチタン基材の表層部分(コンタミ層)を除いた部分が「最表面」に相当する。この最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度が10原子%を超えている場合、チタン基材表面にチタンカーバイド等が存在する可能性がある。チタンカーバイドが存在すると、酸化処理工程S4で熱処理を行った際に、チタンのチタン基材から炭素粒子間への外方拡散が起こり難くなる場合がある。そのため、焼鈍工程により、チタン基材表面の炭素原子を拡散する必要がある。
また、チタン基材の最表面から深さ5〜50nmの間の平均炭素濃度も、10原子%以下であることが好ましい。一般的に、最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度が10原子%以下である場合、最表面から深さ5〜50nmの間の平均炭素濃度も10原子%以下となる。
焼鈍工程は、真空中(例えば1.3×10−3Pa未満)で行われることが好ましい。
(塗布工程)
次に、チタン基材の表面に炭素粒子を塗布する(塗布工程S3)。図3は、塗布工程S3によりチタン基材2の表面に炭素粒子5が塗布された状態を示す模式図である。
次に、チタン基材の表面に炭素粒子を塗布する(塗布工程S3)。図3は、塗布工程S3によりチタン基材2の表面に炭素粒子5が塗布された状態を示す模式図である。
炭素粒子は、炭素粒子を分散させた水性や油性の分散液(分散塗料とも称す)の形態でチタン基材上に塗布することができる。また、炭素粒子は、チタン基材上に直接塗布することもできる。
炭素粒子を含む分散塗料は、バインダー樹脂及び/又は界面活性剤を含んでもよい。しかし、バインダー樹脂や界面活性剤は、導電性を低下させる傾向があるため、これらの含有量は可能な限り少ない方が好ましい。また、分散塗料は、必要に応じて、他の添加剤を含むことができる。
バインダー樹脂には、酸化処理工程における加熱により残渣なく分解する樹脂を用いることが好ましい。このようなバインダー樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリスチレン樹脂、又はポリビニルアルコール樹脂等が挙げられる。これらのうち、分解する温度が低いほど混合層の形成に影響を及ぼさなくなるという観点から、アクリル樹脂が好ましい。バインダー樹脂は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
分散塗料における炭素粒子とバインダー樹脂との配合比率は、固形分の質量比で、(バインダー樹脂固形分量/炭素粒子固形分量)が0.3〜2.5であることが好ましい。この質量比が小さくなる程、炭素粒子の量が多くなり、その結果、導電性が向上する。それゆえ、導電性の観点から、この質量比は2.5以下であることが好ましく、2.3以下であることがより好ましい。一方、この質量比が大きくなる程、バインダー樹脂の量が大きくなる。そのため、この質量比が大きい場合、チタン基材と塗膜との密着性が大きくなる。それゆえ、密着性の観点から、この質量比が0.3以上であることが好ましく、0.4以上であることがより好ましい。
水性の媒体としては、例えば、水又はエタノール等を用いることができる。油性の媒体としては、例えば、トルエン又はシクロヘキサノン等を用いることができる。
炭素粒子の平均粒径は20〜200nmであることが好ましい。炭素粒子は塗料中で凝集体を作りやすい傾向があるため、凝集体が形成しないように工夫された塗料を用いることが好ましい。例えば、炭素粒子として、カルボキシル基等の官能基を表面に化学結合させて粒子間の反発を強めることにより分散性を高めたカーボンブラックを用いることが好ましい。
チタン基材の表面への炭素粒子の塗布量は、特に制限されるものではなく、導電性等を考慮して適宜選択することができる。炭素粒子の塗布量は、導電性の観点から、1.0μg/cm2以上であることが好ましく、2.0μg/cm2以上であることがより好ましい。なお、炭素粒子の塗布量は、50μg/cm2以下であることが好ましい。炭素粒子の塗布量をこれより多くしても導電性を向上させる効果が飽和する傾向がある。
炭素粒子を分散させた分散液をチタン基材に塗付する方法としては、例えば、刷毛塗り、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ダイコーター、ディップコーター、又はスプレーコーター等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、粉末の形態で塗布する方法としては、例えば、炭素粒子を用いて作製したトナーを使用し、チタン基材に該トナーを静電塗装する方法が挙げられる。
(酸化処理工程)
次に、チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、酸化チタンを形成する(酸化処理工程S4)。図4は、酸化処理工程S4によりチタン基材2の表面に酸化チタン4が形成された状態を示す模式的断面図である。酸化処理工程S4において、炭素粒子5が塗布されたチタン基材2が酸化雰囲気下で熱処理されると、チタン基材2中のチタンが炭素粒子5の間に外方拡散し、その外方拡散したチタンの一部又は全部が酸化されて酸化チタン4を形成する。これにより、酸化チタン4中に炭素粒子5が分散した混合層3が形成される。
次に、チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、酸化チタンを形成する(酸化処理工程S4)。図4は、酸化処理工程S4によりチタン基材2の表面に酸化チタン4が形成された状態を示す模式的断面図である。酸化処理工程S4において、炭素粒子5が塗布されたチタン基材2が酸化雰囲気下で熱処理されると、チタン基材2中のチタンが炭素粒子5の間に外方拡散し、その外方拡散したチタンの一部又は全部が酸化されて酸化チタン4を形成する。これにより、酸化チタン4中に炭素粒子5が分散した混合層3が形成される。
酸化雰囲気は、熱処理によりチタンが酸化して酸化チタンが形成される雰囲気であれば、特に制限されるものではないが、酸素分圧が25Pa以下である低酸素分圧を有することが好ましい。酸化処理工程S4における酸素分圧が25Paを超えると、炭素粒子が燃焼して二酸化炭素になり、炭素粒子が消失する可能性がある。また、炭素粒子の酸化分解が生じるとともに、チタン基材の表面が露出した部分でチタンの酸化が過剰に起こり、酸化チタン4が厚くなり過ぎる場合がある。そのため、酸素分圧は、25Pa以下であることが好ましく、20Pa以下であることがより好ましく、15Pa以下であることがさらに好ましく、10Pa以下であることが特に好ましい。酸素分圧は、減圧により、又はArガスや窒素ガス等の不活性ガスを用いることにより、適宜調整することができる。また、酸素分圧は、酸化促進の観点から、0.05Pa以上であることが好ましく、0.1Pa以上であることがより好ましく、0.5Pa以上であることがさらに好ましい。熱処理の温度は、例えば、300〜800℃の温度範囲であり、500〜750℃であることが好ましい。酸素分圧及び熱処理の温度がそれぞれ前記した範囲である場合、チタン基材2から外方拡散したチタン原子の一部又は全部が雰囲気中の微量の酸素と反応して酸化チタンとなり、酸化チタンと炭素粒子が混合した混合層3を容易に形成することができる。
熱処理の時間は、熱処理の温度や酸素分圧等の条件を考慮して、適宜選択できる。熱処理の時間は、例えば、熱処理の温度が500℃の場合は1〜60分であり、700℃の場合は10〜120秒である。
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材の製造方法は、以上に述べた工程以外の工程を任意に含むことができる。例えば、圧延工程S1と焼鈍工程S2の間に、圧延油を除去する脱脂工程を含んでもよい。また、焼鈍工程S2と塗布工程S3との間にチタン基材を洗浄して乾燥する洗浄・乾燥工程を含んでもよい。また、塗布工程の前に、酸洗工程を含んでもよい。酸洗工程により基材最表面に付着した有機物などで汚染されている領域(汚染領域)を除去することができる。塗布工程S3と酸化処理工程S4との間に塗布面を乾燥する乾燥工程を含んでもよい。さらに、酸化処理工程S4の後に、熱処理で生じた長さ方向のチタン基材の反りを矯正して、平坦化させる矯正工程(レベリング工程)を含んでもよい。なお、矯正は、例えば、テンションレベラー、ローラーレベラー又はストレッチャーを用いることにより行うことができる。また、酸化処理工程S4又は矯正工程を終えた燃料電池用セパレータ材を、洗浄して乾燥する洗浄・乾燥工程を含んでいてもよい。該洗浄により、混合層上に存在する余剰な炭素粒子を除去してもよい。また、酸化処理工程S4又は矯正工程を終えた燃料電池用セパレータ材を所定の寸法に裁断する裁断工程を含んでいてもよい。これらの工程はいずれも任意の工程であり、必要に応じて行うことができる。
<燃料電池用セパレータの製造方法>
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材を用いて燃料電池用セパレータを作製するには、燃料電池用セパレータ材に対して、ガスを流通させるガス流路及び当該ガス流路にガスを導入するガス導入口を形成させるプレス成形工程を行うことが好ましい。
本実施形態に係る燃料電池用セパレータ材を用いて燃料電池用セパレータを作製するには、燃料電池用セパレータ材に対して、ガスを流通させるガス流路及び当該ガス流路にガスを導入するガス導入口を形成させるプレス成形工程を行うことが好ましい。
プレス成形は、例えば、所望の形状を有する成形用金型(例えば、ガス流路及びガス導入口を形成する成形用金型)を装着したプレス成形装置を用いて行うことができる。なお、必要に応じて、成形時に潤滑剤を使用してもよい。潤滑剤を用いてプレス成形する場合は、潤滑剤を除去するための工程をプレス成形工程後に行うことが好ましい。
以下に、本実施形態について実施例に基づき説明する。なお、本実施形態は以下の実施例により制限されるものではない。
[実施例1]
基材には厚さ0.1mmの純チタン(JIS H 4600に規定される1種)を冷間圧延処理したものを用いた(サイズ:20×65mm)。
基材には厚さ0.1mmの純チタン(JIS H 4600に規定される1種)を冷間圧延処理したものを用いた(サイズ:20×65mm)。
焼鈍は、サンプル室及び加熱室を備える熱処理炉を用いて行った。上記チタン基材を熱処理炉のサンプル室に配置した。次に、炉内を真空ポンプで真空になるまで排気した。次に、加熱室の温度を700℃に昇温させた。次に、チタン基材をサンプル室から加熱室に搬送し、100秒間加熱した。その後、チタン基材をサンプル室に戻して冷却した。加熱時間は、チタン基材の温度を熱電対で実際に測定し、この実測温度が設定温度(700℃)±10℃の範囲内に入った時間を測定することにより把握した。以上により、試験片E1を作製した。
[実施例2]
加熱室の温度を750℃に設定し、且つ加熱時間を40秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E2を作製した。
加熱室の温度を750℃に設定し、且つ加熱時間を40秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E2を作製した。
[実施例3]
加熱室の温度を780℃に設定し、且つ加熱時間を27秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E3を作製した。
加熱室の温度を780℃に設定し、且つ加熱時間を27秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E3を作製した。
[実施例4]
加熱室の温度を800℃に設定し、且つ加熱時間を17秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E4を作製した。
加熱室の温度を800℃に設定し、且つ加熱時間を17秒としたこと以外は、実施例1と同様にして試験片E4を作製した。
試験片E1〜E4を分析したところ、チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度はいずれも10原子%以下であった。また、チタンのα型からβ型への変化も観測されなかった。
図5に、上記実施例について、横軸に加熱温度、縦軸に加熱時間をプロットしたグラフを示す。理論上、これらのデータから計算される式(A)を満たす場合、上記実施例と同様に、チタン基材の最表面から深さ10nmの位置での炭素濃度が10原子%以下となり、また、チタンのα型からβ型への変化も観測されないことが理解できる。従って、本実施形態により、導電性及びプレス加工性を兼ね備えるセパレータ材を製造することができる製造方法を提供することができることがわかる。
当業者であれば本開示を最大限に利用するために上記の説明を用いることができる。本明細書に開示した特許請求の範囲及び実施形態は、単に説明的及び例示的なものであり、いかなる意味でも本開示の範囲を限定しないと解釈すべきである。本開示の助けを借りて、本開示の基本原理から逸脱することなく上記の実施形態の詳細に変更を加えることができる。換言すれば、上記の明細書に具体的に開示した実施形態の種々の改変及び改善は、本開示の範囲内である。
1 燃料電池用セパレータ材
2 チタン基材
3 混合層
4 酸化チタン
5 炭素粒子
S1 圧延工程
S2 焼鈍工程
S3 塗布工程
S4 酸化処理工程
2 チタン基材
3 混合層
4 酸化チタン
5 炭素粒子
S1 圧延工程
S2 焼鈍工程
S3 塗布工程
S4 酸化処理工程
Claims (1)
- チタン基材と、該チタン基材の上に、炭素粒子及び酸化チタンを含む混合層と、を備える燃料電池用セパレータ材を製造する方法であって、
前記チタン基材を圧延する圧延工程と、
前記圧延工程後に、前記チタン基材を焼鈍する焼鈍工程と、
前記焼鈍工程後に、前記チタン基材の表面に前記炭素粒子を塗布する塗布工程と、
前記塗布工程後に、前記チタン基材を酸化雰囲気下で熱処理し、前記酸化チタンを形成する酸化処理工程と、
を含み、
前記焼鈍工程が、加熱温度(X)及び加熱時間(Y)が下記式(A):
Y≧5E+36X^(−12.19) ・・・(A)
[ただし、Xは、650℃以上、850℃以下である。]
を満たすように行われる、燃料電池用セパレータ材の製造方法。
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-
2019
- 2019-05-27 JP JP2019098583A patent/JP2020193355A/ja active Pending
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