JP2012028045A - チタン製燃料電池セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性および耐久性に優れたチタン製燃料電池セパレータを提供することにある。
【解決手段】本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ１０は、純チタンまたはチタン合金からなる基材１表面に炭素層２が形成されているチタン製燃料電池セパレータ１０であって、前記炭素層２は、当該炭素層２の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有するとともに、前記炭素層２の付着量が２μｇ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に用いられるチタン製燃料電池セパレータに関するものである。

水素等の燃料と酸素等の酸化剤を供給し続けることで継続的に電力を取り出すことができる燃料電池は、乾電池等の一次電池や鉛蓄電池等の二次電池とは異なり、発電効率が高く、システム規模の大小にあまり影響されず、また、騒音や振動も少ないため、多様な用途・規模をカバーするエネルギー源として期待されている。燃料電池は、具体的には、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、バイオ燃料電池等として開発されている。中でも、燃料電池自動車や、家庭用燃料電池（家庭用コジェネレーションシステム）、携帯電話やパソコン等の携帯機器向けとして、固体高分子型燃料電池の開発が進められている。

固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池という）は、固体高分子電解質膜を、アノード電極とカソード電極とで挟んだものを単セルとし、ガス（水素、酸素等）の流路となる溝が形成されたセパレータと呼ばれる（バイポーラプレートとも呼ばれる）電極を介して、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、発生した電流を燃料電池の外部へ取り出すための部品でもあるので、その材料には、接触抵抗（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）が低く、それがセパレータとしての使用中に長期間維持されるという特性が要求される。さらに、燃料電池の内部は酸性雰囲気であるため、セパレータには高耐食性も要求される。

これらの要求を満足するために、黒鉛粉末の成形体を削り出して成るセパレータや、黒鉛と樹脂の混合物成形体から成るセパレータが種々提案されている。これらは優れた耐食性を有するものの、強度や靱性に劣ることから、振動や衝撃が加えられた際に破損する虞がある。そのため、金属材料をベースにしたセパレータが指向され、種々提案されている。

耐食性と導電性を兼ね備えた金属材料としては、Ａｕ、Ｐｔが挙げられる。従来から、薄型化が可能で、優れた加工性および高強度を有するアルミニウム合金、ステンレス鋼、ニッケル合金、チタン合金等の金属材料を基材とし、これにＡｕやＰｔ等の貴金属を被覆して耐食性および導電性を付与したセパレータが検討されている。しかしながら、これらの貴金属材料は非常に高価であるため、コスト高となる。

このような問題に対して、貴金属材料を使用しない金属セパレータが提案されている。
例えば、気相成膜により、炭素膜を基材表面に形成したセパレータ（特許文献１参照）や、ステンレス基材の表面に黒鉛が圧着されているセパレータ（特許文献２、特許文献３参照）が提案されている。

また、金属基材の表面に、ラマン分光法によるＧ／Ｄ比が０．５以下となる炭素層が形成されているセパレータ（特許文献４参照）や、金属基材の表面に、アモルファスカーボン層と黒鉛部から構成される炭素層が形成されているセパレータ（特許文献５参照）が提案されている。

特許第４１４７９２５号公報 特許第３９０４６９０号公報 特許第３９０４６９６号公報 特開２００７−２０７７１８号公報 特開２００８−２０４８７６号公報

しかしながら、特許文献１、４、５に開示された技術は、金属基材の表面に形成された炭素層が非晶質であるため、環境遮蔽性（バリア性）が良くなく、金属基材表面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり易い。よって、特許文献１、４、５に開示された技術は、導電性および導電耐久性（耐久性：導電性を長期間維持する性質）の面で劣る虞がある。
また、特許文献２、３に開示された技術は、基材がステンレスからなることから、セパレータとして使用中に鉄イオンが溶出してしまい、固体高分子膜を劣化させる虞がある。また、特許文献２、３に開示された技術の炭素層は、炭素の量が少ないため、基材のステンレスが露出している領域が多くなり、上記のように鉄イオンの溶出や基材表面の酸化が起こりやすく導電性が低下する虞がある。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その課題は、導電性および耐久性に優れたチタン製燃料電池セパレータを提供することにある。

本発明者らは、耐食性に優れる純チタンまたはチタン合金を基材として用い、当該基材表面を所定の方向に配向したグラファイトを有する炭素層で被覆することにより、セパレータの導電性および耐久性を両立させることができることを見出し、本発明を創出した。

前記課題を解決するために、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面（片面または両面）に炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータであって、前記炭素層は、当該炭素層の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有するとともに、前記炭素層の付着量が２μｇ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、基材が純チタンまたはチタン合金からなることにより、セパレータを軽量化できるとともに、耐食性を向上させることができ、セパレータからの金属イオンの溶出が起こらないことから、固体高分子膜を劣化させる恐れが無い。加えて、基材の強度や靭性も向上させることができる。

また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、炭素層が当該炭素層の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有することから、基材を燃料電池のセル内環境から遮蔽する環境遮蔽性（バリア性）を向上させることができる。よって、基材と炭素層との界面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなる。つまり、導電性および導電耐久性（耐久性：導電性を長期間維持する性質）を向上させることができる。

また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、炭素層の付着量が２μｇ／ｃｍ^２以上であることから、基材表面の広い領域が炭素層に覆われることとなる。したがって、炭素層によって環境遮蔽性（バリア性）が確保される領域が増える。つまり、セパレータの導電性および導電耐久性を確保することができる。

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、前記基材と前記炭素層との間に、粒状のチタンカーバイドが前記炭素層と平行な方向に連なった中間層が形成されていることが好ましい。

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、導電性を有するチタンカーバイドからなる中間層が形成されていることから、基材と炭素層との界面における電気抵抗が小さくなり、セパレータの導電性を向上させることができる。加えて、当該チタンカーバイドは、基材と炭素層とが反応して形成されたものであるため、基材と炭素層との密着性を向上させることができる。

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、ラマン分光分析によって前記炭素層を測定して得られるＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）が０．５〜２であることが好ましい。

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）を所定の範囲に規定することにより、導電性と環境遮蔽性とを両立させることができる。

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータによれば、炭素層が当該炭素層の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有することにより、セパレータの導電性および耐久性を向上させることができる。
また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの炭素層の付着量が２μｇ／ｃｍ^２以上であることから、セパレータの導電性および耐久性を確保することができる。
さらに、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、チタンカーバイドからなる中間層が形成されていることから、さらに導電性を向上させるとともに、基材と炭素層との密着性を向上させることができる。
またさらに、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータは、Ｇ／Ｄ値を所定の範囲に規定することにより、導電性と環境遮蔽性とを両立させることができる。

実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータを示す断面図であって、（ａ）は、基材の片面に炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの断面図、（ｂ）は、基材の両面に炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの断面図、（ｃ）は、基材の片面に中間層および炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの断面図、（ｄ）は、基材の両面に中間層および炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータの断面図である。 実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの炭素層の結晶格子面を説明するための概略図である。 実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの炭素層に含まれるグラファイトを説明するための概略図である。 実施例における接触抵抗測定、および、密着性評価において使用した接触抵抗測定装置の概略図である。 実施例に係る試験体のラマン分光分析の結果（プロファイル）である。 実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）により観察した写真である。 炭素粉を塗布し圧延を行った後の基材および炭素層の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察した写真である。

以下、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの実施するための形態について、適宜図面を参照しながら説明する。

≪チタン製燃料電池セパレータ≫
実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータ１０（以下、適宜、セパレータという）は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、基材１と、当該基材１の表面（片面または両面）に形成された炭素層２と、から構成される。
なお、実施形態に係るセパレータ１０は、図１（ｃ）、（ｄ）に示すように、基材１と炭素層２との間に中間層３が形成されていてもよい。
以下、基材１、炭素層２、中間層３、およびセパレータ１０の製造方法を詳細に説明する。

＜基材＞
セパレータ１０の基材１は、純チタンまたはチタン合金からなる。よって、基材１は、ステンレス等を用いた場合と比べて軽量であるとともに、耐食性に優れる。また、基材１が、炭素層２（または、炭素層２および中間層３）により被覆されずに露出している箇所や端面部が存在しても、燃料電池のセル内環境下においてその表面に不働態皮膜を形成するため金属溶出の虞がなく、基材１の溶出（劣化）を防止することができる。加えて、純チタンまたはチタン合金は、強度、靭性に優れていることから、基材１の強度、靭性についても確保できる。

そして、基材１は、従来公知の方法、例えば、純チタンまたはチタン合金を溶解、鋳造して鋳塊とし、熱間圧延した後、冷間圧延するという方法により作製されたものである。また、基材１は、焼鈍仕上げされていることが好ましいが、その仕上げ状態は問わず、例えば「焼鈍＋酸洗仕上げ」、「真空熱処理仕上げ」、「光輝焼鈍仕上げ」等のいずれの仕上げ状態であっても構わない。

なお、基材１は、特定の組成のチタンに限定されるものではないが、チタン素材の冷間圧延のし易さや、その後のプレス成形性確保の観点から、Ｏ：１５００ｐｐｍ以下（より好ましくは１０００ｐｐｍ以下）、Ｆｅ：１５００ｐｐｍ以下（より好ましくは１０００ｐｐｍ以下）、Ｃ：８００ｐｐｍ以下、Ｎ：３００ｐｐｍ以下、Ｈ：１３０ｐｐｍ以下であり、残部がＴｉおよび不可避的不純物からなるものが好ましい。例えば、基材１は、ＪＩＳ １種の冷間圧延板を使用することができる。

基材１の板厚は０．０５〜１．０ｍｍが好ましい。板厚が０．０５ｍｍ未満では、基材１に必要とされる強度を確保することができず、一方、１．０ｍｍを超えると加工性が低下するからである。

＜炭素層＞
セパレータ１０の炭素層２は、導電性と耐食性を有する炭素から構成される。この炭素層２は、基材１の表面全体に被覆されていることが好ましいが、必ずしも表面全体に被覆されている必要はなく、導電性と耐食性を確保するためには、表面の４０％以上、好ましくは５０％以上に被覆されていればよい。ここで、炭素層２が被覆していない基材１の表面には、チタンの不働態皮膜が形成されるため、基材１の酸化等の反応を抑制することができる。
なお、炭素層２の形成方法の詳細については後記するが、炭素粉が表面に付着した基材１を圧延することにより形成することができる。

そして、炭素層２は、当該炭素層２の（００２）面２１に平行に配向しているグラファイト２３を有している。このグラファイト２３は、原子レベルで説明すると、六角形格子構造であるとともにシート状を呈したグラフェンシート２４が層状に多数積み重なった六角板状結晶のことである（図３参照）。

ここで、炭素層２の（００２）面２１とは、ａ軸方向（炭素層２の長さ（圧延）方向）、ｂ軸方向（幅方向）、およびｃ軸方向（厚さ方向）に平行な面を、ミラー指数で示した結晶格子面（単位格子）２０において、ｃ軸方向に１／２の箇所に位置する面であるとともに、ａ軸方向およびｂ軸方向に平行な面である（図２参照）。

つまり、グラファイト２３が炭素層２の（００２）面２１に平行に配向している状態とは、図３に示すように、グラファイト２３を構成するグラフェンシート２４が基材１表面と平行に規則正しく積み重なっている状態を示す。このとき、グラファイト２３のｃ軸は基材１の表面と垂直となっている。
炭素層２がこのようなグラファイト２３を有することにより、基材１を燃料電池のセル内環境から遮蔽する環境遮蔽性（バリア性）が向上する。したがって、基材１と炭素層２との界面において酸化等の導電性の低下を引き起こす反応が起こり難くなる。

（炭素層のＸ線回折法による分析）
そして、グラファイト２３が炭素層２の（００２）面２１に平行に配向している状態とは、Ｘ線回折法（Ｘ線結晶構造解析）によって測定される炭素層２の（００２）面２１のピーク強度が、（１００）面２２のピーク強度に対して３倍以上となっている状態である。

炭素層２において、（００２）面２１に平行に配向したグラファイトが増えれば増えるほど、Ｘ線回折法における（００２）面２１のピーク強度が、（１００）面２２のピーク強度に対して大きくなる。

したがって、（００２）面２１のピーク強度が、（１００）面２２のピーク強度に対して３倍未満であると、（００２）面２１に平行に配向したグラファイトの割合が低いため、炭素層２の環境遮蔽性（バリア性）が十分でなくなる。その結果、基材１と炭素層２との界面において酸化等が起こり易く、導電性が低下する虞がある。よって、Ｘ線回折法（Ｘ線結晶構造解析）によって測定される炭素層２の（００２）面２１のピーク強度が、（１００）面２２のピーク強度に対して３倍以上となる必要がある。

Ｘ線回折法による分析については、従来公知のＸ線回折法およびＸ線回折装置を用いて行えばよい。詳細には、炭素層２表面における（００２）面２１からのＸ線回折強度と、（１００）面２２からのＸ線回折強度とを測定し、これらのＸ線回折強度（ピーク強度）を比較し判断すればよい。

（炭素層のラマン分光法による分析）
さらに、炭素層２は、ラマン分光法によって測定されるＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）が０．５〜２の範囲であることが好ましい。

ここで、炭素層２においてＳＰ２混成軌道の存在比率が高いほど、Ｄバンドピークの強度が高くなり、ＳＰ３混成軌道の存在比率が高いほど、Ｇバンドピークの強度が高くなる。通常、図３に示すような、グラフェンシート２４はＳＰ２混成軌道により形成されるため、炭素層２においてグラフェンシート２４の存在が増えると（Ｇ／Ｄ）が低下する。Ｇバンドのピークの強いグラファイト構造の方が導電性は高い傾向があるが、一方で、環境遮蔽性の点においてはグラフェンシート２４が多く存在する方が好ましいと考えられる。そのため導電性と環境遮蔽性を両立させるには、ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比には好ましい範囲があり、ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）が０．５〜２の範囲とするのが好ましい。

なお、Ｄバンドピークとは、１３５０ｃｍ^−１付近にピークを有するＤバンドの最大ピーク強度であり、Ｇバンドピークとは、１５９０ｃｍ^−１付近にピークを有するＧバンドの最大ピーク強度のことである（図５参照）。
そして、ラマン分光法による分析については、従来公知のレーザラマン分光装置等を用いて行えばよい。

基材１表面の炭素層２の付着量は、導電耐久性（耐久性：導電性を長期間維持する性質）に影響する。炭素層２の付着量が２μｇ／ｃｍ^２未満であると、基材１が炭素層２で被覆されていない領域が増え、グラファイト２３が配向していても環境遮断性が得られない。その結果、燃料電池セル内環境下で酸化される領域が多くなり、導電耐久性が低下する。したがって、炭素層２の付着量は、基材１の表面に対して２μｇ／ｃｍ^２以上である。好ましくは５μｇ／ｃｍ^２以上である。
なお、上限は特に限定されないが、１０００μｇ／ｃｍ^２を越えて付着させても導電耐久性に変化がないことから、１０００μｇ／ｃｍ^２以下でよい。

なお、炭素層２におけるグラファイトの割合（炭素層２の（００２）面２１に平行に配向しているグラファイトの割合）は、後記する冷間圧延工程の圧延率、後記する炭素塗布工程において基材１に塗布する炭素粉の種類やサイズ等により制御することができる。
また、基材１表面の炭素量は、後記する炭素粉塗布工程において基材１に塗布する炭素粉の量により制御することができる。

＜中間層＞
基材１と炭素層２との間に、中間層３が形成されていることが好ましい。特に、中間層３は、基材１と炭素層２とが反応して形成された粒状のチタンカーバイドから構成される層であることが好ましい。この粒状のチタンカーバイドは導電性を有するため、基材１と炭素層２との界面における電気抵抗が小さくなり、導電性が向上するだけでなく、基材１と炭素層２とが反応して形成されたものであるため、基材１と炭素層２との密着性が向上するからである。
なお、粒状とは、球体、球に近似した立体、楕円体、多面体等の形状であることを意味する。

中間層３は、不揃いの粒状のチタンカーバイドが連なって形成される。これは、セパレータ１０の断面を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）により観察した写真（図６）から明らかであり、チタンカーバイド３ａは膜状ではなく粒状を呈している。
中間層３は、基材１と炭素層２との間の全ての界面に形成されていることが好ましいが、密着性を確保するためには、当該界面の５０％以上に形成されていればよい。

なお、中間層３として、基材１と炭素層２とが反応して形成された粒状のチタンカーバイドから構成される層を形成させる場合は、当該チタンカーバイドの平均粒径（直径）は、５ｎｍ以上であることが好ましい。５ｎｍ未満であると、基材１と炭素層２との十分な密着性が得られないからである。
なお、チタンカーバイドの平均粒径の上限は特に限定されないが、１００ｎｍを越えても密着性に変化がないことから、１００ｎｍ以下でよい。

このチタンカーバイドの平均粒径は、基材１と炭素層２との断面を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）等を用いて測定することができる。ここで、粒径（直径）とは、チタンカーバイドが球状を呈さない場合は、測定した粒子の長径および短径の加算平均値である。また、平均粒径とは、例えば、測定した２０個のチタンカーバイドの平均の粒径である。

次に、セパレータ１０の製造方法を説明する。
≪セパレータの製造方法≫
まず、基材１の表面（片面または両面）に炭素粉を塗布する（炭素粉塗布工程）。塗布方法については、特に限定されないが、炭素粉を基材１上に粉末状のまま直接付着させたり、炭素粉をメチルセルロース等の水溶液や樹脂成分を含む塗料中に分散させたスラリーを、基材１の表面に塗布したりすればよい。

基材１の表面に塗布する炭素粉については、粒径（直径）０．５〜１００．０μｍのものを使用する。粒径が０．５μｍ未満だと、後記する圧延工程において（００２）面２１方向への配向が十分に起こらない。一方、粒径が１００．０μｍを超えると、炭素塗布工程および後記する圧延工程において、基材１表面に付着し難くなる。

炭素粉を基材１上に付着させる方法は上記の方法に限定されず、次のような方法によっても実施される。例えば、炭素粉と樹脂とを混練して作製した炭素粉含有フィルムを基材１上に貼り付ける方法や、ショットブラストにより炭素粉を基材１表面に打ち込み、基材１表面に担持させる方法や、炭素粉末と樹脂粉末とを混合して、コールドスプレー法によって基材１上に付着させる方法等が考えられる。

炭素粉塗布工程後、冷間圧延を施すことにより、基材１表面に炭素粉を圧着させる（冷間圧延工程）。冷間圧延工程を経ることで、炭素粉は、炭素層２として基材１表面に圧着することとなる。なお、基材１表面に付着した炭素粉が潤滑剤の役割も果たすため、冷間圧延を施す際に、潤滑剤は使用しなくても良い。圧延後には炭素粉は粒状ではなく、基材１上に薄い層状となって付着して基材１表面を覆うような状態となっている（図７のＳＥＭ写真参照）。

この冷間圧延工程において、炭素層２が、炭素層２の（００２）面２１に平行に配向しているグラファイトを有するという状態となるには、トータル圧下率０．１％以上で圧延を施す。
ここで、トータル圧下率を０．１％以上とすると、炭素層２の（００２）面２１に平行に配向しているグラファイトの割合が増えることにより、炭素層２が基材１を燃料電池のセル内環境から遮蔽する十分な環境遮蔽性（バリア性）を得ることができる。トータル圧下率は、好ましくは、０．５％以上、より好ましくは、１％以上である。

なお、圧下率は、冷間圧延前後の基材の板厚変化から算出した値であり、「圧下率＝（ｔ０―ｔ１）／ｔ０×１００」（ｔ０：炭素粉塗布工程後の初期板厚、ｔ１：圧延後の板厚）により算出する。

なお、中間層３として、基材１と炭素層２とが反応して形成された粒状のチタンカーバイドから構成される層を形成させる場合は、冷間圧延工程後に、非酸化性雰囲気において熱処理を行う（熱処理工程）。熱処理温度は３００〜８５０℃の範囲で行うのが好ましい。３００℃未満では炭素とチタンの反応が遅く粒状のチタンカーバイドを形成させるのに時間がかかり生産性に劣る。一方、８５０℃を超える温度で熱処理を行うとチタンの相変態が起こる可能性があり、機械特性が変化する虞があるからである。また、熱処理の時間は、０．５〜６０分間であり、温度が低い場合は長時間の処理、温度が高い場合は短時間の処理というように、温度によって時間を適宜調整するのが良い。
なお、非酸化性雰囲気とは、酸化性ガスの分圧が低い雰囲気、例えば、酸素分圧１．３×１０^−３Ｐａ下のような雰囲気である。

また、炭素粉塗布工程と冷間圧延工程との間に、炭素粉が表面に付着している基材１に対しブロー等を行う乾燥工程を設けてもよい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能である。

次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータについて、本発明の要件を満たす実施例と本発明の要件を満たさない比較例とを比較して具体的に説明する。

［第１実施例］
＜試験体の作製＞
基材としては、ＪＩＳ １種のチタン基材（焼鈍酸洗仕上げ）を使用した。チタン基材の化学組成は、Ｏ：４５０ｐｐｍ、Ｆｅ：２５０ｐｐｍ、Ｎ：４０ｐｐｍ、残部がＴｉおよび不可避的不純物であり、チタン基材の板厚は、０．５ｍｍである。使用した炭素粉は、グラファイト粉末（平均粒径５μｍ、１０μｍ：純度４Ｎ）、またはアセチレンブラック粉末（平均粒径５０ｎｍ：純度４Ｎ）である。なお当該チタン基材は、チタン原料に対して従来公知の溶解工程、鋳造工程、熱間圧延工程、冷間圧延工程を施して得られたものである。

炭素粉を１ｗｔ％メチルセルロース水溶液中に所定濃度となるように分散させてスラリーを作製した。そして、当該スラリーをチタン基材の両面に塗布し、自然乾燥させた。
そして、１パス当たりの圧下率が所定の値となるようにロールギャップを調整し、所定のトータル圧下率まで複数パスに分けて冷間圧延を実施した。なお、圧延ロールには潤滑油を塗布していない。

次に、非酸化性雰囲気（酸素分圧１．３×１０^−３Ｐａ下）において、所定の温度および所定時間の熱処理を施した。なお、一部の試験体については、熱処理を施していない。

このようにして作製した試験体について、以下の方法により、（００２）面に配向しているグラファイトの測定、Ｄバンドピーク強度、Ｇバンドピーク強度の測定、炭素付着量の測定、接触抵抗の評価、および、耐久性評価を行った。

［（００２）面に配向しているグラファイトの測定］
前記方法により作製した試験体に対し、Ｘ線回折装置（リガク製 水平型Ｘ線回折装置：測定角度２０〜１００°）を用いて、炭素層の（００２）面のピーク強度と、（１００）面のピーク強度を測定した。なお、（００２）面のピーク強度は、測定角２θが２６．４°で、（１００）面のピーク強度は、測定角２θが４２．７°で測定した。
Ｘ線回折法（Ｘ線結晶構造解析）によって測定される炭素層の（００２）面のピーク強度が、（１００）面のピーク強度に対して３倍以上となっているものを、グラファイトが炭素層の（００２）面に平行に配向している（（００２）面配向あり）と判断した。

［Ｄバンドピーク強度、Ｇバンドピーク強度の測定］
試験体に対し、顕微レーザーラマン分光分析装置を用いて、炭素のラマンスペクトル分析を行った。Ｄバンドのピークは約１３５０ｃｍ⁻¹の位置に、Ｇバンドのピークは約１５９０ｃｍ⁻¹の位置にピークが得られる。ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）は「Ｇバンドのピーク強度／Ｄバンドのピーク強度」の計算式で求められる。
ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）が、０．５〜２の場合を本発明に適した炭素層が形成されていると判断した。

［炭素付着量の測定］
前記方法により作製した試験体から所定サイズの試験片を切り出し、当該試験片の重量を測定した。その後、試験片を純水にて超音波洗浄し炭素層を除去した。そして、試験片を乾燥した後、重量測定を行って減少した重量を算出した。この減少した重量の値を試験片の表面積（端部は除く）で除して炭素付着量（μｇ／ｃｍ^２）を求めた。

［接触抵抗測定］
前記方法により作製した試験体について、図４に示す接触抵抗測定装置４０を用いて、接触抵抗を測定した（表１の耐久試験前）。詳細には、試験体４１の両面を２枚のカーボンクロス４２，４２で挟み、さらにその外側を接触面積１ｃｍ^２の２枚の銅電極４３，４３で挟んで荷重９８Ｎ（１０ｋｇｆ）で加圧し、直流電流電源４４を用いて７．４ｍＡの電流を通電し、カーボンクロス４２，４２の間に加わる電圧を電圧計４５で測定して、接触抵抗（表１では初期接触抵抗と示す）を求めた。
接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ^２以下の場合を導電性が良好、１０ｍΩ・ｃｍ^２を超える場合を導電性が不良とした。

［耐久性評価］
前記方法により作製した試験体について、耐久性評価（耐久試験）を行った。すなわち、試験体を比液量が２０ｍｌ／ｃｍ^２である８０℃の硫酸水溶液（１０ｍｍｏｌ／Ｌ）に１０００時間浸漬した後、試験体を硫酸水溶液から取り出し、洗浄、乾燥して、前記と同様の方法で接触抵抗を測定した。
硫酸浸漬後（耐久試験後）の接触抵抗（表１では耐久試験後接触抵抗と示す）が１５ｍΩ・ｃｍ^２以下の場合を耐久性が良好、１５ｍΩ・ｃｍ^２を超える場合を耐久性が不良とした。

各試験体に使用した炭素粉の種類、炭素粉の平均粒径、作製条件、（００２）面配向、炭素付着量、初期および耐久試験後の接触抵抗測定結果を表１に示す。なお、表１中に示す圧下率（％）は、トータル圧下率（％）であり、冷間圧延前後のチタン基材１の板厚変化から算出した値である。

試験体Ｎｏ．１〜６は炭素層が本発明の規定する範囲内のものであったため、初期接触抵抗が低く（導電性が良好であり）、耐久試験後も接触抵抗値が合格範囲内であった（耐久性が良好であった）。
一方、試験体Ｎｏ．７は炭素層のグラファイトの配向は認められるが、炭素付着量が少なかったため、耐久試験後に接触抵抗の上昇が認められた（耐久性が不良という結果であった）。
また、試験体Ｎｏ．８〜１０は炭素層がグラファイト構造を示さず、且つ（００２）面への配向が認められなかった。よって、耐久試験後に接触抵抗の上昇が認められ（耐久性が不良という結果となり）、燃料電池セパレータ用材料としては好ましくないことがわかった。

試験体Ｎｏ.１を用いてラマン分光分析を行った結果、図５に示すプロファイルが得られた。そして、ＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）を計算した結果、１．１となり、前記Ｇ／Ｄ値の好ましい範囲内であった。
なお、試験体Ｎｏ．２〜７のＧ／Ｄ値についても、前記Ｇ／Ｄ値の好ましい範囲内となったが、試験体Ｎｏ．８〜１０については、前記Ｇ／Ｄ値の好ましい範囲外となった。

表１の結果から、炭素層の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有する（または、Ｇ／Ｄ値が０．５〜２となる）とともに、２μｇ／ｃｍ^２以上の炭素層を基材表面に形成させることで、導電性および耐久性を向上できることがわかった。

[第２実施例]
第１実施例で用いたものと同種、同サイズのチタン基材とグラファイト粉末（試験体Ｎｏ．１１〜１６に使用したグラファイト粉末の平均粒径５μｍ：純度４Ｎ）とを用いて、第１実施例と同様の方法により試験体を作製した。

このようにして作製した試験体について、以下の方法により、中間層の確認、炭素付着量の測定、炭素層密着性評価を行った。

［中間層の確認］
試験体表層の断面をイオンビーム加工装置（日立集束イオンビーム加工観察装置 ＦＢ−２１００）でサンプルを加工した後、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：日立電界放出形分析電子顕微鏡 ＨＦ−２２００）にて７５００００倍の倍率で断面観察し、炭素層とチタン基材との界面においてチタンカーバイドが存在するか否かを判定した。加えて、粒状のチタンカーバイドの平均粒径を測定した。ここで、粒径（直径）とは、チタンカーバイドが球状を呈さない場合は、測定した粒子の長径および短径の加算平均値である。また、平均粒径とは、測定した２０個のチタンカーバイドの平均の粒径である。

［炭素付着量の測定］
炭素付着量の測定は、第１実施例と同様の方法で測定した。

［密着性評価］
図４に示す接触抵抗測定装置４０を用いて、密着性評価を行った。試験体４１の両面を２枚のカーボンクロス４２，４２で挟み、さらにその外側を接触面積１ｃｍ^２の銅電極４３，４３で挟んで荷重９８Ｎ（１０ｋｇｆ）に加圧し、両面から加圧された状態を保持したまま、面内方向に試験体４１を引き抜いた（引抜き試験）。
引抜き試験後、非摩擦面および摩擦面をＳＥＭ/ＥＤＸにて１００倍の倍率で観察し、加速電圧を１５ｋＶとしてチタン（Ｔｉ）と炭素（Ｃ）を定量分析したときに、非摩擦面での炭素の量（原子％）を１００％として、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量の８０％以上であったときは○（非常に良好）、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量５０％以上、８０％未満であるときは△（良好）、摩擦面での炭素の量が非摩擦面の炭素の量５０％未満であるときを×（不良）と判断した。

各試験体の作製条件、中間層の種類、チタンカーバイド粒（ＴｉＣ粒）の平均粒径（ｎｍ）、炭素付着量（μｇ／ｃｍ^２）、炭素層密着性の結果を表２に示す。

試験体Ｎｏ．１、１１〜１４は、中間層がチタンカーバイドで構成されていたため、炭素層密着性が非常に良好または良好という結果となった。一方、試験体Ｎｏ．１５、１６は、中間層がＴｉ酸化膜であったため、炭素密着性が不良という結果となった。

表２の結果より、炭素層の密着性を上げるには、炭素層を形成させた後３００℃以上の温度で熱処理を行い、炭素層とチタン基材との間に両者の反応によって粒状のチタンカーバイド層を形成させることが好ましいことがわかった。

１ 基材
２ 炭素層
３ 中間層
３ａ チタンカーバイド（チタンカーバイド粒）
１０ チタン製燃料電池セパレータ（セパレータ）
２１ （００２）面
２２ （１００）面
２３ グラファイト
２４ グラフェンシート
４０ 接触抵抗測定装置
４１ 試験体
４２ カーボンクロス
４３ 銅電極
４４ 直流電流電源
４５ 電圧計

本発明は、燃料電池に用いられるチタン製燃料電池セパレータおよびその製造方法に関するものである。

本発明は、前記の課題に鑑みてなされたものであり、その課題は、導電性および耐久性に優れたチタン製燃料電池セパレータおよびその製造方法を提供することにある。

Claims (3)

1. 純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に炭素層が形成されているチタン製燃料電池セパレータであって、
   前記炭素層は、当該炭素層の（００２）面に平行に配向しているグラファイトを有するとともに、前記炭素層の付着量が２μｇ／ｃｍ^２以上であることを特徴とするチタン製燃料電池セパレータ。
2. 前記基材と前記炭素層との間に、粒状のチタンカーバイドが前記炭素層と平行な方向に連なった中間層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のチタン製燃料電池セパレータ。
3. ラマン分光分析によって前記炭素層を測定して得られるＤバンドピークとＧバンドピークの強度比（Ｇ／Ｄ）が０．５〜２であることを特徴とする請求項１または２に記載のチタン製燃料電池セパレータ。