JP2017199456A - Metal material and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用部品等として使用が可能な、表面に不働態皮膜を有していて耐食性に優れる一方で接触抵抗の小さい金属材、およびその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a metal material that can be used as a fuel cell component or the like, has a passive film on the surface, has excellent corrosion resistance, and has low contact resistance, and a method for producing the same.
燃料電池は、水素と酸素とが反応する際のエネルギーを電力として取り出すもので、CO2を排出しないクリーンな動力源として期待されている。燃料電池の内部には、セパレータと呼ばれる板状の部品が多数使用されている。セパレータは、主として、水素と酸素の各流路の形成、およびセル間の通電といった役割を果たすものである。 The fuel cell takes out the energy when hydrogen and oxygen react as electric power, and is expected as a clean power source that does not emit CO2. A large number of plate-like parts called separators are used inside the fuel cell. The separator mainly plays a role of forming each flow path of hydrogen and oxygen and energizing between cells.
セパレータ、とくに固体高分子形燃料電池（PEFC）におけるセパレータには、基本的につぎのような特性が求められる。
a) 耐食性に優れること。１００℃に近い希硫酸溶液中で、１Ｖ程度の電圧をかけられて使用されるからである。
b) 接触抵抗が低いこと。隣接する電極に接触してセル間を電気的に接続する必要があるからである。
c) 表面に溝を加工しやすいこと。発電力を高くするためには、水素・酸素の各流路として表面に加工される溝が細かくて表面積が大きいほど有利だからである。
なお、これらは、セパレータとともに燃料電池に組み込まれる集電板に関しても同様である。
A separator, particularly a separator in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), basically requires the following characteristics.
a) Excellent corrosion resistance. This is because a voltage of about 1 V is applied in a dilute sulfuric acid solution close to 100 ° C.
b) Low contact resistance. This is because it is necessary to make electrical connection between cells in contact with adjacent electrodes.
c) Easy to machine grooves on the surface. This is because, in order to increase the power generation, it is advantageous that the grooves processed on the surface as the hydrogen / oxygen flow paths are fine and the surface area is large.
The same applies to the current collector plate incorporated in the fuel cell together with the separator.
セパレータの素材として、従来、プラスチック炭素繊維からなるものやＴｉ（チタン）製で黒鉛塗料にて被覆されたものがあるが、板厚を薄くできないこと（前者）や、コストが高く（後者）、溝加工が難しい（両者）といった課題がある。
それらに代わるものとして、近年、アルミ製のセパレータが提案されている。たとえば下記の特許文献１・２には、ＡｌまたはＡｌ合金の基材の表面に、導電性と耐食性とを有する塗膜を２層形成してセパレータとすることが記載されている。
Conventional separator materials include plastic carbon fiber and Ti (titanium) coated with graphite paint, but the plate thickness cannot be reduced (the former), and the cost is high (the latter). There is a problem that grooving is difficult (both).
In recent years, aluminum separators have been proposed as an alternative to them. For example, Patent Documents 1 and 2 below describe that a separator is formed by forming two coating layers having conductivity and corrosion resistance on the surface of an Al or Al alloy substrate.
上記の各特許文献には、Ａｌ板（またはＡｌ合金等）の表面にある酸化皮膜（Al2O3。不働態皮膜であり導電性が低い）を除去したうえで、導電性・耐食性を有する塗膜を板表面に形成する旨が記載されている。しかし、Ａｌ板における酸化皮膜は、除去しても大気中ですぐにまた形成される。しかも当該酸化皮膜は、数ｎｍ程度と薄くても電気抵抗がきわめて大きい。そのため、実際には、Ａｌ板と上記塗膜との間の電気抵抗を減らすことが難しく、したがって接触抵抗の点で、燃料電池用部品とするには十分でなかった。 In each of the above patent documents, after removing the oxide film (Al2O3, which is a passive film and low conductivity) on the surface of the Al plate (or Al alloy, etc.), a coating film having conductivity and corrosion resistance is provided. It describes that it is formed on the plate surface. However, even if the oxide film on the Al plate is removed, it is immediately formed again in the atmosphere. Moreover, even though the oxide film is as thin as several nanometers, the electrical resistance is extremely high. Therefore, in practice, it is difficult to reduce the electrical resistance between the Al plate and the coating film, and therefore, in terms of contact resistance, it is not sufficient for a fuel cell component.
また、Ａｌ板の表面に塗膜を形成する場合、その塗膜が剥離してしまうトラブルも発生しがちである。塗膜が剥離すると、上記酸化皮膜（Al2O3）によっては希硫酸による腐食に耐えきれないため、燃料電池用セパレータ等としての耐用性が失われてしまう。 Moreover, when forming a coating film on the surface of an Al plate, the trouble that the coating film peels tends to occur. When the coating film is peeled off, the oxide film (Al2O3) cannot withstand the corrosion caused by dilute sulfuric acid, so that the durability as a fuel cell separator is lost.
以上のような不都合は、Ａｌ板等を燃料電池用部品として使用することを困難にし、もって燃料電池の小型・軽量化および低コスト化を妨げていた。 The inconveniences as described above make it difficult to use an Al plate or the like as a fuel cell component, thereby preventing the fuel cell from being reduced in size, weight and cost.
本発明は、上記課題の解決を目的とし、表面に不働態皮膜を有していて耐食性を有するものでありながら接触抵抗が小さく、したがって燃料電池用部品の素材等とするに好ましい金属材と、その製造方法とを提供するものである。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and has a passive film on the surface and has a corrosion resistance while having a low contact resistance, and therefore a metal material that is preferable as a material for fuel cell components, The manufacturing method is provided.
発明による金属材は、表面に不働態皮膜（酸化皮膜）を有する金属基材に、その不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で導電性粒子が付着し、その金属基材の表面が、導電性および耐食性を有する塗膜によって被覆されていることを特徴とする。導電性粒子の全部または一部のものが、不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態、すなわち、不働態皮膜の内側にある金属基材そのものに接するとともに不働態皮膜の外に露出する状態で存在し、さらに、その金属基材の表面（つまり不働態皮膜の表面）が、導電性および耐食性を有する塗膜によって被覆されているわけである。
表面に不働態皮膜を有する上記の金属基材としては、後述するＡｌ（アルミ）またはその合金のほか、Ｃｕ（銅）またはその合金などが使用できる。上記の導電性粒子としてはたとえばセラミック粒子を使用することができ、通電性の高いＷＣ（タングステンカーバイド）やＴｉＢ２、ＺｒＢ２等の粒子が有利である。「グラフェン」のような炭素系材料を導電性粒子とすることも考えられる。そうした導電性粒子が、耐食性を有し硬質であるとそれも好ましい。
発明による金属材（ただし塗膜を有しないもの）の一例について、図１に表面の顕微鏡写真、図２に断面のイメージ図を示す。図２の例では金属基材の片側面のみに導電性粒子が付着しているが、両側の面（表・裏の両側）において不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で導電性粒子が付着していてもよい。
このような金属材は、上記塗膜で被覆される前から、不働態皮膜を有するために一定の耐食性を有するが、その内側の金属基材から導電性粒子を介して外部への通電性が確保されるため接触抵抗が小さい。そしてその金属基材の表面が、導電性および耐食性を有する塗膜によって被覆されているのであるから、上記発明の金属材は、接触抵抗の小さいことを維持しながら表面の耐食性が補強されたものとなる。そのため、セパレータや集電板といった燃料電池用部品を含む各種の電気部品として使用することができる。
In the metal material according to the invention, conductive particles adhere to a metal substrate having a passive film (oxide film) on the surface in a state of passing through the passive film in the thickness direction, and the surface of the metal substrate is It is characterized by being coated with a coating film having conductivity and corrosion resistance. In the state where all or part of the conductive particles penetrates the passive film in the thickness direction, that is, in contact with the metal substrate itself inside the passive film and exposed to the outside of the passive film. Furthermore, the surface of the metal substrate (that is, the surface of the passive film) is covered with a coating film having conductivity and corrosion resistance.
As the above-mentioned metal substrate having a passive film on the surface, in addition to Al (aluminum) or an alloy thereof described later, Cu (copper) or an alloy thereof can be used. As the conductive particles, for example, ceramic particles can be used, and particles such as WC (tungsten carbide), TiB 2 , and ZrB 2 having high electrical conductivity are advantageous. It is also conceivable to use a carbon-based material such as “graphene” as conductive particles. It is also preferred if such conductive particles are corrosion resistant and hard.
FIG. 1 shows a micrograph of the surface of an example of a metal material according to the invention (those not having a coating film), and FIG. 2 shows an image of a cross section. In the example of FIG. 2, the conductive particles are attached to only one side of the metal substrate, but the conductive particles pass through the passive film in the thickness direction on both sides (front and back sides). It may be attached.
Such a metal material has a certain corrosion resistance because it has a passive film before it is coated with the above-mentioned coating film, but it has an electrical conductivity from the inner metal substrate to the outside through conductive particles. The contact resistance is small because it is secured. And since the surface of the metal base material is coated with a coating film having conductivity and corrosion resistance, the metal material of the invention has the surface corrosion resistance reinforced while maintaining low contact resistance. It becomes. Therefore, it can be used as various electrical components including fuel cell components such as separators and current collector plates.
表面に不働態皮膜を有する金属基材であるＡｌまたはＡｌ合金に、その不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で導電性粒子であるＷＣ粒子が付着している、という金属材も好ましい。
ＡｌまたはＡｌ合金は、製造時の加熱等によって不働態皮膜である酸化皮膜（Al2O3）が形成されており、一旦それが除去されたとしても、大気に接することにより同様の酸化皮膜が再び形成された状態になっている。そのため、上記金属材は、上述のとおり導電性粒子が付着することにより、多少の耐食性を有しながら接触抵抗の低い部材として電気部品等に使用することができる。ＡｌまたはＡｌ合金は低価の汎用金属であるうえ加工されやすく軽量でもあるため、発明の金属材は使用可能性が広く、多大なメリットをもたらすことができる。板状にして溝加工をすることも容易であるため、塗装等によって耐食性を補強したうえ燃料電池用セパレータや集電板に使用する場合には、燃料電池の小型・軽量化を実現し大幅なコストダウンを可能にする。
なお、Ａｌ合金の一つとして、耐食性の高いAl-Mg合金やAl-Mg-Ti合金を使用するのもよい。また、粒径１０μｍ以下の結晶組織中に粒径１００ｎｍ以下の微小粒子状結晶（ナノ組織）を有するAl-Mg合金（特開2015-145516号公報参照）や、同様のナノ組織を有するAl-Mg-Ti合金を使用すると、さらに好ましい。ナノ組織を含むAl-Mg合金またはAl-Mg-Ti合金は、結晶粒が微小であることに起因して腐食の進行が遅く耐食性がとくに高いため、特別な耐食性が求められる用途に適している。
一方、導電性粒子がＷＣであると、それが通電性に優れることから、金属材の接触抵抗を小さくする効果が顕著である。耐食性に優れているため不働態皮膜とともに金属基材の腐食防止に寄与するうえ、硬質であるため耐摩耗性の点でも有利である。
また、金属のなかでは比較的軟質のＡｌまたはＡｌ合金に対して硬質のＷＣを付着させることは、さまざまな手段によって容易に行うことができる。そのため、金属基材をＡｌまたはＡｌ合金とし、導電性粒子をＷＣとすることは、上記金属材を製造しやすいという点でも有利である。
A metal material in which WC particles, which are conductive particles, are attached to Al or an Al alloy, which is a metal substrate having a passive film on the surface, in a state of penetrating the passive film in the thickness direction.
Al or Al alloy has an oxide film (Al2O3) that is a passive film formed by heating at the time of manufacture, etc. Even if it is removed, a similar oxide film is formed again by contact with the atmosphere. It is in the state. Therefore, the metal material can be used for an electrical component or the like as a member having low corrosion resistance while having some corrosion resistance by attaching conductive particles as described above. Since Al or Al alloy is a low-priced general-purpose metal and is easy to be processed and lightweight, the metal material of the invention has wide applicability and can bring great advantages. Since it is easy to form a groove in the shape of a plate, when the corrosion resistance is reinforced by painting, etc., and it is used for a separator for a fuel cell or a current collector plate, the fuel cell can be made smaller and lighter and drastically reduced. Enables cost reduction.
As one of the Al alloys, an Al—Mg alloy or an Al—Mg—Ti alloy having high corrosion resistance may be used. In addition, an Al-Mg alloy (see JP-A-2015-145516) having a microparticulate crystal (nanostructure) having a particle size of 100 nm or less in a crystal structure having a particle size of 10 μm or less, or Al— having a similar nanostructure. It is more preferable to use Mg—Ti alloy. Al-Mg alloys or Al-Mg-Ti alloys containing nanostructures are suitable for applications that require special corrosion resistance because the corrosion progress is slow and the corrosion resistance is particularly high due to the small crystal grains. .
On the other hand, when the conductive particles are WC, since the conductivity is excellent, the effect of reducing the contact resistance of the metal material is remarkable. Since it has excellent corrosion resistance, it contributes to the prevention of corrosion of the metal substrate together with the passive film, and since it is hard, it is advantageous in terms of wear resistance.
In addition, it is possible to easily attach hard WC to relatively soft Al or Al alloy among metals by various means. Therefore, it is advantageous that the metal substrate is made of Al or an Al alloy and the conductive particles are made of WC because the metal material can be easily manufactured.
導電性および耐食性を有する塗膜（塗料の膜）によって、金属基材であるＡｌまたはＡｌ合金の表面（上記導電性粒子が付着している面）が被覆されているとよい。当該塗膜の導電性・耐食性は、その金属材の使用環境や使用条件に合わせて定めるとよい。
上記のような塗膜で表面が被覆されていると、燃料電池用部品のような、金属基材が有する不働態皮膜によっては耐食性が不十分という強い腐食環境においても、その金属材を使用できる。また、その塗膜は導電性も有するので、当該塗膜を通して、または、内部の金属基材から導電性粒子および当該塗膜を介して通電性が確保され、金属材の接触抵抗が小さく保たれる。
上記塗膜は、上記導電性粒子をも覆うように形成すればよい（図４（ａ）を参照）が、使用環境によっては（つまり、導電性粒子や薄い塗膜が十分な耐食性を有するなら）、塗膜を薄くして導電性粒子を塗膜外に露出させるのもよい（図４（ｂ）を参照）。
この発明の金属材は、前記特許文献１・２の例と比較すると、同様の腐食環境下でも塗膜の厚さを薄くできるという利点を有している。特許文献１・２の例では、金属基材の不働態皮膜を除去したうえ、その表面を２層の塗膜によって厚く覆うが、本発明の金属材では、金属基材が有する不働態皮膜を除去しないで使用するため、塗膜が薄くても十分な耐食性を得られるからである。塗膜が薄くてもよいなら、金属材に溝を形成する場合にその溝（の幅）を細かくできることになるので、燃料電池用セパレータ等とするうえでとくに有利である。
しかも、金属基材に対する塗膜の密着性は、特許文献１・２の例におけるものよりも高くすることができる。金属基材の表面が単なる平坦面でなく、導電性粒子が分散して表面上に突出しているため、いわゆるアンカー効果によって塗膜が金属基材上に強く固着するのである。そのため、金属材が腐食液等に浸漬された状態で長期間使用されても、塗膜はほとんど剥離する恐れがない。これは、塗膜が導電性粒子を覆う場合にもそれを露出させる場合にも同様である。
It is preferable that the surface of Al or Al alloy as the metal substrate (the surface on which the conductive particles are attached) is coated with a coating film (coating film) having conductivity and corrosion resistance. The conductivity / corrosion resistance of the coating film may be determined according to the use environment and use conditions of the metal material.
When the surface is coated with the coating film as described above, the metal material can be used even in a strong corrosive environment where the corrosion resistance is insufficient depending on the passive film of the metal substrate such as a fuel cell component. . Moreover, since the coating film also has electrical conductivity, electrical conductivity is ensured through the coating film or from the internal metal substrate through the conductive particles and the coating film, and the contact resistance of the metal material is kept small. It is.
The coating film may be formed so as to cover the conductive particles (see FIG. 4A), but depending on the use environment (that is, if the conductive particles and the thin coating film have sufficient corrosion resistance). ), The coating film may be thinned to expose the conductive particles to the outside of the coating film (see FIG. 4B).
The metal material of the present invention has an advantage that the thickness of the coating film can be reduced even in the same corrosive environment as compared with the examples of Patent Documents 1 and 2. In the examples of Patent Documents 1 and 2, the passive film on the metal substrate is removed and the surface is thickly covered with a two-layer coating. However, in the metal material of the present invention, the passive film that the metal substrate has is removed. This is because it is used without being removed, so that sufficient corrosion resistance can be obtained even if the coating film is thin. If the coating film may be thin, when the groove is formed in the metal material, the groove (width) can be made finer, which is particularly advantageous for use as a fuel cell separator or the like.
And the adhesiveness of the coating film with respect to a metal base material can be made higher than the thing in the example of patent document 1 * 2. Since the surface of the metal substrate is not a mere flat surface but the conductive particles are dispersed and projecting on the surface, the coating film is strongly fixed on the metal substrate by a so-called anchor effect. Therefore, even if the metal material is used for a long time in a state of being immersed in a corrosive liquid, the coating film is hardly peeled off. This is the same both when the coating film covers the conductive particles and when it is exposed.
金属基材の上記表面が、とくに黒鉛塗料によって被覆されているとよい。
黒鉛塗料、すなわち黒鉛を含有する塗料は、含有する黒鉛のために導電性を発揮するとともに、ベースとする樹脂を適切に選択することにより使用環境に応じた耐食性を有するものとなる。そのため、それにより表面を被覆された金属材は、好ましい導電性と耐食性とを有するものとして構成される。
In particular, the surface of the metal substrate is preferably covered with graphite paint.
A graphite paint, that is, a paint containing graphite exhibits conductivity due to the graphite contained therein, and has corrosion resistance according to the use environment by appropriately selecting a base resin. Therefore, the metal material whose surface is covered thereby is configured as having preferable conductivity and corrosion resistance.
上記発明の金属材は、燃料電池用部品（セパレータや集電板等）として使用されるとよい。
発明の金属材は、耐食性を有するとともに接触抵抗が低く、また、金属基材をＡｌやＡｌ合金のような軟質のものとする場合、板状にしてその表面に細かい溝等を形成することも容易だからである。ＡｌやＡｌ合金は材料自体が低価であるうえ加工性に富み、薄板にして小型化・軽量化をはかることができ、また、熱伝導性が高いため冷却性能に優れることからも、燃料電池用部品としてきわめて適している。金属材の耐食性は、上述のように導電性・耐食性を有する塗膜により表面を被覆することによって補うことができる。つまり、発明の金属材は、先に述べた燃料電池用セパレータや集電板等に必要な特性を具備するものといえる。
The metal material of the invention is preferably used as a fuel cell component (separator, current collector plate, etc.).
The metal material of the invention has corrosion resistance and low contact resistance, and when the metal substrate is made of a soft material such as Al or Al alloy, it may be formed into a plate shape to form fine grooves on the surface. It is easy. Al and Al alloy materials are low in price and rich in workability, and can be reduced in size and weight by making them thin, and because of their high thermal conductivity, they have excellent cooling performance. It is very suitable as a part for use. The corrosion resistance of the metal material can be supplemented by covering the surface with a coating film having conductivity and corrosion resistance as described above. That is, it can be said that the metal material of the invention has the characteristics required for the fuel cell separator and current collector plate described above.
上記発明の金属材は、燃料電池用部品とするためにプレス加工によって溝を形成される板状のものであり、上記ＷＣ粒子の粒径が１０μｍ以下であるのがよい。
コンパクトで発電性能に優れた燃料電池を構成するためには、セパレータとして、厚さが０．３ｍｍ程度以下の板であって幅０．５ｍｍ程度以下の溝を形成されたものを採用する必要がある。その溝をプレス加工によって形成する場合、板の一部にとくに厚さの薄い部分が発生することが避けられない。それに関し、発明者らの調査では、ＷＣ粒子の粒径（最大寸法）が１０μｍを超えると、プレス加工による上記の溝加工の際、板すなわち金属基材の一部が割れる（溝に破れた部分ができる）場合があった（図６（ｂ）・（ｄ）を参照）。その一方、ＷＣ粒子の粒径が１０μｍ以下であれば、そのような割れは生じなかった（図６（ｅ）を参照）。
導電性粒子であるＷＣ粒子は、その粒径が不働態皮膜の厚さ（一般的には５００ｎｍ程度以下である）を超えるとよいが、発明者らの調査によれば、１μｍ程度以上の粒径を有するのがよい。それよりも微小のものは金属基材の表面に付着しにくいからである。したがって、上記ＷＣ粒子の粒径は、１μｍ以上のものを含み、１０μｍを超えるものを含まないことが好ましい。
The metal material of the present invention is a plate-like material in which grooves are formed by press working in order to form a fuel cell component, and the particle size of the WC particles is preferably 10 μm or less.
In order to construct a compact fuel cell with excellent power generation performance, it is necessary to employ a separator having a thickness of about 0.3 mm or less and having a groove with a width of about 0.5 mm or less. is there. When the groove is formed by pressing, it is inevitable that a particularly thin portion is generated in a part of the plate. In this regard, in the investigation by the inventors, when the particle size (maximum dimension) of the WC particles exceeds 10 μm, the plate, that is, a part of the metal base material is cracked (broken into a groove) during the above groove processing by press working. (See FIGS. 6B and 6D). On the other hand, when the particle diameter of the WC particles was 10 μm or less, such cracking did not occur (see FIG. 6 (e)).
The WC particles, which are conductive particles, may have a particle size that exceeds the thickness of the passive film (generally, about 500 nm or less). It should have a diameter. This is because finer particles are less likely to adhere to the surface of the metal substrate. Therefore, it is preferable that the particle diameter of the WC particles includes those of 1 μm or more, and does not include those exceeding 10 μm.
発明による金属材の製造方法は、不働態皮膜を有する金属基材の表面に、その不働態皮膜の厚さよりも粒径の大きい導電性粒子を押し入れることにより、不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で当該金属基材に導電性粒子を付着（保持）させることを特徴とする。
金属基材の表面に導電性粒子を押し入れる手段としては、常温の、または高温にした金属材表面に、たとえば、導電性粒子を叩き入れたり、圧下して押し込んだり、ショットブラスト機で投射して打ち込んだりすることができる。
そのようにして金属基材の表面に導電性粒子を押し入れると、不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で導電性粒子が付着した上述の金属材（図１・図２を参照）を製造することができる。導電性粒子として金属基材（の不働態皮膜）よりも硬質のものを選択すれば、とくに容易に上記金属材を得ることができる。
The method for producing a metal material according to the present invention is such that conductive particles having a particle size larger than the thickness of the passive film are pushed into the surface of the metal substrate having the passive film in the thickness direction. Conductive particles are attached (held) to the metal substrate in a penetrating state.
As a means to push the conductive particles into the surface of the metal substrate, for example, the conductive particles are struck, pressed down and pushed into the surface of the metal material at normal temperature or high temperature, and projected with a shot blast machine. You can type in.
When the conductive particles are pushed into the surface of the metal substrate in this way, the above-mentioned metal material (see FIGS. 1 and 2) to which the conductive particles are attached in a state of passing through the passive film in the thickness direction. Can be manufactured. If the conductive particles are selected to be harder than the metal substrate (passive film thereof), the metal material can be obtained particularly easily.
上記製造方法については、上記金属基材の表面上に上記導電性粒子を散らし置き、ロールや油圧プレス等で圧下することにより金属基材の表面に導電性粒子を押し入れるようにするのが、とくに好ましい。
金属基材の表面に導電性粒子を押し入れる手段には前記のとおり種々のものがあるが、ここに記載したようにロールで圧下する方法をとることも可能である。たとえば図３のように圧延ロールを用いて、金属基材と導電性粒子とを連続的に順次加圧するのである。
そのようにすると、不働態皮膜を厚さ方向に貫通する状態で導電性粒子が付着した上述の金属材（図１・図２を参照）をきわめて円滑に、かつ能率的に製造することができる。
For the production method, the conductive particles are scattered and placed on the surface of the metal substrate, and the conductive particles are pushed into the surface of the metal substrate by rolling down with a roll or a hydraulic press. Particularly preferred.
As described above, there are various means for pushing the conductive particles into the surface of the metal substrate, but it is also possible to adopt a method of rolling down with a roll as described herein. For example, as shown in FIG. 3, a metal roll and conductive particles are continuously and sequentially pressed using a rolling roll.
If it does so, the above-mentioned metal material (refer FIG.1 and FIG.2) to which the electroconductive particle adhered in the state which penetrates a passive film in the thickness direction can be manufactured very smoothly and efficiently. .
上記のとおりロール等で圧下するにあたり、上記金属基材の表面上に、粘性流体とともに上記導電性粒子を散らし置くのが好ましい。図３の例においても、金属基材の表面上にそのような粘性流体（符号１２）を使用している。
粘性流体中に含める形で導電性粒子を金属基材上に分散配置すると、粘性流体の作用でその粒子の位置が概ね固定されるため、振動や風等の影響で粒子が飛散したり特定の部分に偏ったりすることが防止される。そのため、金属基材上に導電性粒子が概ね均一に分散された均質な金属材を製造することができる。
As described above, when rolling down with a roll or the like, it is preferable to disperse the conductive particles together with the viscous fluid on the surface of the metal substrate. Also in the example of FIG. 3, such a viscous fluid (reference numeral 12) is used on the surface of the metal substrate.
When conductive particles are dispersed and arranged on a metal substrate so as to be included in a viscous fluid, the position of the particles is generally fixed by the action of the viscous fluid. It is prevented that it is biased to the part. Therefore, a homogeneous metal material in which conductive particles are almost uniformly dispersed on the metal substrate can be produced.
上記の粘性流体として、とくに、潤滑油または潤滑用グリースを使用するとよい。
潤滑油または潤滑用グリースを粘性流体として使用すると、上記した利点に加えて潤滑性がもたらされる。つまり、金属基材の表面上に導電性粒子を押し込む際の摩擦がその潤滑性によって緩和され、押し込みのためのエネルギーを少なくすることができる。
In particular, lubricating oil or lubricating grease may be used as the viscous fluid.
The use of lubricating oil or lubricating grease as a viscous fluid provides lubricity in addition to the advantages described above. That is, the friction at the time of pushing the conductive particles onto the surface of the metal substrate is relieved by the lubricity, and the energy for pushing can be reduced.
金属基材の表面に導電性粒子を押し入れたのち、導電性および耐食性を有する塗膜を金属基材の表面に形成すると好ましい。
そのようにすれば、上述したように高い耐食性を有するとともに接触抵抗が低い金属材を得ることができ、燃料電池用部品等としてもそれを使用することができる。
なお、前述のように、この塗膜は、厚くして導電性粒子を覆うようにしてもよい（図４（ａ）を参照）が、使用環境によっては、薄くして導電性粒子を塗膜外に露出させるのもよい（図４（ｂ）を参照）。
It is preferable to form a coating film having conductivity and corrosion resistance on the surface of the metal substrate after the conductive particles are pushed into the surface of the metal substrate.
By doing so, a metal material having high corrosion resistance and low contact resistance can be obtained as described above, and it can be used as a fuel cell component or the like.
As described above, the coating film may be thickened so as to cover the conductive particles (see FIG. 4A). However, depending on the use environment, the coating film may be thinned to cover the conductive particles. It may be exposed outside (see FIG. 4B).
上記金属材を燃料電池用部品とするためには、不働態皮膜を有する金属基材である板状のＡｌまたはＡｌ合金の表面に、導電性粒子として粒径が１０μｍ以下のＷＣ粒子を押し入れ、その後、当該金属基材にプレス加工により溝を形成したうえ、導電性および耐食性を有する塗膜を表面に形成するとよい。
そのようにすると、たとえば厚さ０．３ｍｍ程度以下の薄い板に、幅０．５ｍｍ程度以下の溝がプレス加工にて割れのないように多数形成され、十分な耐食性を有していて接触抵抗が小さいという、好ましい燃料電池用セパレータや集電板等が円滑に形成される。
In order to use the metal material as a fuel cell component, WC particles having a particle size of 10 μm or less are inserted as conductive particles into the surface of a plate-like Al or Al alloy that is a metal substrate having a passive film, Then, after forming a groove | channel by the said metal base material by press work, it is good to form the coating film which has electroconductivity and corrosion resistance on the surface.
In that case, for example, a large number of grooves having a width of about 0.5 mm or less are formed on a thin plate having a thickness of about 0.3 mm or less so as not to be cracked by press working, and have sufficient corrosion resistance and contact resistance. A preferable separator for a fuel cell, a current collector plate, and the like are formed smoothly.
発明の金属材は、金属基材の表面に不働態皮膜を有するため一定以上の耐食性を有するとともに、同皮膜を貫通するように導電性粒子を有することから接触抵抗が小さい。したがって、各種の電気部品用構成部材として使用するに適しており、燃料電池用のセパレータや集電板としても使用が可能である。金属基材がＡｌまたはＡｌ合金であればとくに使用可能性が広くなる。導電性および耐食性を有する塗膜によって表面を覆うと、強い腐食環境においても使用が可能になり、燃料電池用部品としても適した金属材となる。 The metal material of the invention has a certain level of corrosion resistance because it has a passive film on the surface of the metal substrate, and has low contact resistance because it has conductive particles so as to penetrate the film. Therefore, it is suitable for use as a component for various electric parts, and can also be used as a separator or a current collector for a fuel cell. If the metal substrate is Al or an Al alloy, the applicability is particularly wide. When the surface is covered with a coating film having conductivity and corrosion resistance, it can be used even in a strong corrosive environment, and becomes a metal material suitable as a fuel cell component.
発明による金属材の製造方法は、金属基材に導電性粒子を押し入れることによって上記金属材の製造を可能にする。金属基材の表面上に導電性粒子を散らし置いたうえロールで圧下することとすれば、とくに円滑かつ能率的に製造することができる。そのようにロールで圧下するにあたり、金属基材の表面上に導電性粒子を粘性流体とともに置くと、均質な金属材を製造するうえで有利である。Ａｌ等の金属基材に適切な導電性粒子を押し込んで付着させた金属材に、プレス加工を施して溝を形成し、さらにその表面を適切な塗膜で被覆すると、セパレータや集電板といった燃料電池用部品とすることができる。 The method for producing a metal material according to the invention enables the production of the metal material by pressing conductive particles into a metal substrate. If the conductive particles are scattered on the surface of the metal substrate and then rolled down with a roll, it can be produced particularly smoothly and efficiently. In such rolling down, it is advantageous in producing a homogeneous metal material if conductive particles are placed together with a viscous fluid on the surface of the metal substrate. When a metal material such as Al is pressed and adhered to a metal base material to form a groove by pressing, and the surface is covered with an appropriate coating film, a separator, a current collector plate, etc. It can be set as the component for fuel cells.
以下に発明の実施例を示す。
発明者らは、一般的なアルミニウム板を原材料とし、表面の不働態皮膜（Al2O3）を除去しないでその耐食性を生かしつつ、当該板の接触抵抗を小さくする目的で、新しい金属材試片を製造し、試験を行った。以下にその詳細を記す。
1) 市販のＡｌ板（1000番系。厚さ0.3mm）を購入のうえ切り出して、50mm×50mmの板状のＡｌ基材とする。
2) 上記Ａｌ基材の表面（片側面。板を水平に置いたときの上側の面）に潤滑油を塗布する。潤滑油には、重量比で10％の量のＷＣ粒子を分散させている。ＷＣ粒子は導電性に優れるうえ硬度がHB3000程度と高い。ここでは平均粒径80μｍのＷＣ粒子を使用した。
3) 上記2)のようにしたＡｌ基材を小型圧延機によって圧延する。図３はその圧延過程を示すイメージ図であり、符号１はＡｌ基材（金属基材）、２は不働態皮膜、３はＷＣ粒子（導電性粒子）、１１ａ・１１ｂは圧延ロール、１２は潤滑油である。
Examples of the invention are shown below.
The inventors manufactured a new metal specimen for the purpose of reducing the contact resistance of the plate while taking advantage of its corrosion resistance without removing the passive film (Al2O3) on the surface, using a general aluminum plate as a raw material. The test was conducted. The details are described below.
1) A commercially available Al plate (No. 1000 series, thickness 0.3 mm) is purchased and cut out to obtain a 50 mm × 50 mm plate-like Al base material.
2) Lubricating oil is applied to the surface of the Al base (one side; the upper side when the plate is placed horizontally). In the lubricating oil, WC particles in an amount of 10% by weight are dispersed. The WC particles are excellent in conductivity and have a high hardness of about HB3000. Here, WC particles having an average particle size of 80 μm were used.
3) The Al base material as described in 2) above is rolled with a small rolling mill. FIG. 3 is an image diagram showing the rolling process. Reference numeral 1 is an Al substrate (metal substrate), 2 is a passive film, 3 is a WC particle (conductive particle), 11a and 11b are rolling rolls, and 12 is lubrication. Oil.
4) 上記の圧延により、図２のような状態にＷＣ粒子３をＡｌ基材１に埋め込んだ金属材試片が得られる。図１（ａ）はその試片の表面の顕微鏡写真であって、写真中の白い塊がＷＣ粒子である。Ａｌ基材１の表面には厚さ0.5μｍ程度以下の不働態皮膜２が存在するが、ＷＣ粒子３の多くは、その不働態皮膜２を突き破ってＡｌ基材１に達し、Ａｌ基材１に接するとともに外側（外気に面する側）に露出する状態で、Ａｌ基材１にいわば突き刺さっている。
5) 上記圧延の終了後に、金属材試片より潤滑油を除去する。
6) Ａｌ基材１の表面、すなわちＷＣ粒子３が点在する不働態皮膜２の上に黒鉛塗料を塗る。黒鉛塗料は、ベースとする樹脂成分中に黒鉛粒子等を含有する塗料である。図４（ａ）または同（ｂ）のようにその塗料による塗膜４の厚さは適宜に設定できるが、ここでは、図４（ａ）のように塗膜４が不働態皮膜２とＷＣ粒子３とを覆う、厚さ約10μｍ（1〜20μｍ程度がよい）にしている。黒鉛塗料については、樹脂成分の選定によって耐食性を高くし、黒鉛の量などによって導電性を適宜に設定する。
4) By the above rolling, a metal specimen having the WC particles 3 embedded in the Al substrate 1 in the state shown in FIG. 2 is obtained. FIG. 1 (a) is a micrograph of the surface of the specimen, and the white lump in the photograph is WC particles. A passive film 2 having a thickness of about 0.5 μm or less exists on the surface of the Al base 1, but most of the WC particles 3 penetrate the passive film 2 to reach the Al base 1, and the Al base 1 The Al base material 1 is pierced so to speak while being exposed to the outside (side facing the outside air).
5) After the end of the rolling, remove the lubricant from the metal specimen.
6) Apply graphite paint on the surface of the Al substrate 1, that is, on the passive film 2 on which the WC particles 3 are scattered. The graphite paint is a paint containing graphite particles or the like in a base resin component. As shown in FIG. 4A or FIG. 4B, the thickness of the coating film 4 by the paint can be set as appropriate. Here, as shown in FIG. 4A, the coating film 4 is composed of the passive film 2 and the WC. The thickness is about 10 μm (preferably about 1 to 20 μm) covering the particles 3. For the graphite paint, the corrosion resistance is increased by selecting the resin component, and the conductivity is appropriately set depending on the amount of graphite and the like.
製造した金属材試片等につき、接触抵抗値を測定した。測定は、上記4)および6)によって得た試片（それぞれ実施例１・実施例２という）と、購入して上記サイズに切り出したままのＡｌ基材単体（比較例１）、およびそのＡｌ基材単体に上記6)と同一の黒鉛塗料を塗ったもの（比較例２）につき、接触荷重を７kgf/cm2として行った。その結果、実施例１・２の試片の接触抵抗値は比較例１・２の試片のそれの1/100以下であった。
Ａｌ基材１は上記のとおり表面に不働態皮膜を有するため、比較例１・２のとおり単体では接触抵抗が大きいのに対し、実施例１・２のようにＷＣ粒子３を付着させた金属材試片は、内部のＡｌ基材１と導電性の高いＷＣ粒子３（実施例２においてはさらに塗膜４）とが、電気抵抗の低い状態でつながっているために接触抵抗が低いと考えられる。
The contact resistance value was measured for the manufactured metal specimen. The measurement was performed using the specimens obtained in 4) and 6) above (referred to as Example 1 and Example 2, respectively), the Al base material that was purchased and cut into the above size (Comparative Example 1), and the Al A contact load was set to 7 kgf / cm 2 for a single substrate coated with the same graphite paint as in 6) above (Comparative Example 2). As a result, the contact resistance value of the specimens of Examples 1 and 2 was 1/100 or less of that of the specimens of Comparative Examples 1 and 2.
Since the Al base 1 has a passive film on the surface as described above, the contact resistance is large as a single body as in Comparative Examples 1 and 2, whereas the metal with WC particles 3 attached as in Examples 1 and 2 The specimen is considered to have low contact resistance because the Al base material 1 and the highly conductive WC particles 3 (in addition, the coating film 4 in Example 2) are connected in a low electrical resistance state. It is done.
上記の金属材試片等についてはさらに、図５のように銅電極やＧＤＬ（ガス拡散層）、硬質カーボンと組み合わせた状態で接触抵抗を測定した。すなわち、金属材試片を、燃料電池における集電板の位置に組み込んだうえ、他の部品との間の接触抵抗を測定したのである。
測定は、図５中の金属材（金属基材１。試片によっては塗膜４を含む）の位置に、上記実施例１・２の各試片または比較例１・２の各試片を組み込み、７kgf/cm2の接触荷重をかけて行う。そして、図示のとおり銅電極とＡｌ基材との間の抵抗値Ｒａ、および、硬質カーボンとＡｌ基材との間の抵抗値Ｒｂを測定する。
Further, the contact resistance of the above-mentioned metal specimen was measured in combination with a copper electrode, GDL (gas diffusion layer) and hard carbon as shown in FIG. That is, the metal material specimen was incorporated in the position of the current collector plate in the fuel cell, and the contact resistance with other components was measured.
The measurement is carried out by placing the specimens of Examples 1 and 2 or the specimens of Comparative Examples 1 and 2 at the position of the metal material in FIG. Incorporate and apply contact load of 7kgf / cm2. Then, as illustrated, a resistance value Ra between the copper electrode and the Al base material and a resistance value Rb between the hard carbon and the Al base material are measured.
図５の測定による抵抗値を表１に示す。ＷＣ粒子３を付着等させないＡｌ基材単体に係る比較例１と、Ａｌ基材単体に上記6)の黒鉛塗料を塗っただけの比較例２については、ＲａもＲｂも高いが、上記4)・6)によって得た金属材に係る実施例１・２については、Ｒａ・Ｒｂがいずれも顕著に小さい。
上記実施例１・２の金属材試片と同様の金属材を、燃料電池（とくにPEFC）用セパレータや集電板等とすべく量産するためには、Ａｌ基材として長尺のコイルを用い、上記3)の過程を大きめの圧延機で連続的に行うとよい。たとえば、Ａｌ基材として厚さが0.3mmで幅320mmのコイルを使用し、その表面に、平均粒径が1〜100μｍ（好ましくは最大粒径10μｍ）のＷＣ粒子を含めた圧延油を噴射塗布し、コイル幅に5〜15トン程度の圧延荷重をかけることによりＡｌ基材を厚さ0.25mmに圧延する。その後、上記6)の過程を、適切な黒鉛塗料を用いて実施する。黒鉛塗料は、用途に応じた耐食性と導電性とを有し、不働態皮膜とＷＣ粒子とが存在するＡｌ基材の表面に施工されて剥離しがたく、また亀裂や一貫孔を生じさせないものである必要がある。
そうして得る金属材は、燃料電池用セパレータ等とするためには、さらに、ガスの流路となる溝をプレス加工によって形成する必要がある。そのプレス加工は、上記のように塗膜を形成した後に、または塗膜の形成前に行う。Ａｌ基材は加工性に優れるうえ、黒鉛塗料の塗膜厚さが薄くてよいので、当該金属材に対する溝加工は比較的容易であり、幅が0.4mm程度の細かい溝の形成も低コストにて行える。
In order to mass-produce metal materials similar to the metal material specimens of Examples 1 and 2 above as separators and collector plates for fuel cells (particularly PEFC), a long coil is used as an Al base material. The above process 3) may be performed continuously with a larger rolling mill. For example, a coil having a thickness of 0.3 mm and a width of 320 mm is used as an Al base material, and rolling oil containing WC particles having an average particle diameter of 1 to 100 μm (preferably a maximum particle diameter of 10 μm) is spray-coated on the surface thereof. The Al base is rolled to a thickness of 0.25 mm by applying a rolling load of about 5 to 15 tons to the coil width. Thereafter, the above step 6) is performed using an appropriate graphite paint. Graphite paint has corrosion resistance and conductivity according to the application, is applied to the surface of Al base where passivating film and WC particles are present, is difficult to peel off, and does not cause cracks or consistent holes Need to be.
In order to use the metal material thus obtained as a fuel cell separator or the like, it is necessary to further form a groove serving as a gas flow path by pressing. The press working is performed after the coating film is formed as described above or before the coating film is formed. Since the Al base material is excellent in workability and the coating thickness of the graphite paint may be thin, the groove processing for the metal material is relatively easy, and the formation of a fine groove with a width of about 0.4 mm is also low in cost. Can be done.
別の実施例として、金属材に溝状のプレス加工を行った例を以下に示す。
まず、前述した1)〜5)の要領で、ＷＣ粒子３をＡｌ基材１に埋め込んだ金属材試片を作る。Ａｌ基材は前記1)と同じもの（厚さ0.3mm）を使用したが、ＷＣ粒子としては、後述のとおり粒径の異なる３種のものを使用した。その後、その金属材試片にプレス（サーボプレス）加工を施し、溝幅が0.5mmの溝を複数本平行に形成する。それらの溝は、燃料電池用セパレータにおいてガスの流路とするための溝に相当する。
As another embodiment, an example in which a groove-like press work is performed on a metal material is shown below.
First, a metal specimen in which the WC particles 3 are embedded in the Al base 1 is made in the manner described in 1) to 5). The same Al substrate (thickness 0.3 mm) as in 1) above was used, but three types of WC particles having different particle diameters were used as described later. Thereafter, the metal specimen is pressed (servo press) to form a plurality of grooves having a groove width of 0.5 mm in parallel. These grooves correspond to grooves for forming gas flow paths in the fuel cell separator.
上記プレス加工によって溝を形成した金属材試片について、横断面の顕微鏡写真を図６に示す。図６（ａ）は、埋め込んだＷＣ粒子の最大粒径を150μｍとしたもの、同（ｃ）は同粒子の粒径を36〜106μｍとしたもの、同（ｅ）は同粒子の最大粒径を8.5μｍとしたものを示している。
ＷＣ粒子の最大粒径を150μｍとした図６（ａ）の例では、金属材試片の一部（プレス加工によって薄くなった部分）に図６（ｂ）のように割れが生じた。粒径36〜106μｍのＷＣ粒子を埋め込んだ同（ｃ）の例でも、同様に一部に図６（ｄ）のとおり割れが生じた。金属材試片のうち薄くなった部分に大きめのＷＣ粒子が存在すると、Ａｌ基材の連続性が失われることに起因するようである。
それに対し、ＷＣ粒子の最大粒径を8.5μｍとした図６（ｅ）の例では、薄くなった部分にも割れは皆無であった。同様の厚さのＡｌ基材に同様の幅の溝を形成するときは、ＷＣ粒子の最大粒径を10μｍ以下にする必要があると考えられる。
FIG. 6 shows a micrograph of the cross section of the metal specimen having grooves formed by the press working. 6A shows the embedded WC particles having a maximum particle size of 150 μm, FIG. 6C shows the particles having a particle size of 36 to 106 μm, and FIG. 6E shows the maximum particle size of the particles. Is 8.5 μm.
In the example of FIG. 6A in which the maximum particle size of the WC particles is 150 μm, a crack occurred in a part of the metal specimen (a portion thinned by pressing) as shown in FIG. 6B. Even in the example (c) in which WC particles having a particle diameter of 36 to 106 μm were embedded, cracks were partially generated as shown in FIG. When large WC particles are present in the thinned portion of the metal specimen, it seems that the continuity of the Al base material is lost.
On the other hand, in the example of FIG. 6E in which the maximum particle size of the WC particles was 8.5 μm, there was no crack in the thinned portion. When grooves having the same width are formed on an Al base material having the same thickness, it is considered that the maximum particle diameter of the WC particles needs to be 10 μm or less.
上記ではＡｌ基材に対してＷＣ粒子を埋め込むことにより金属材を製造したが、同様の機能をもつ金属材を他の材料によって製造することも可能である。すなわち、Ａｌ基材に替えてＡｌ合金や銅合金、ステンレス鋼などの他の金属（不働態皮膜を有するもの）を金属基材とし、ＷＣ粒子に替えて他の導電性粒子を使用することによっても、耐食性を有していて接触抵抗の小さい金属材を製造できる。耐食性を補うべく使用する黒鉛塗料についても、耐食性と導電性を有する他の塗料を使用することができる。 In the above description, the metal material is manufactured by embedding WC particles in the Al base material. However, a metal material having a similar function can be manufactured using other materials. That is, by using other metal (having a passive film) such as Al alloy, copper alloy, and stainless steel as the metal substrate instead of the Al substrate, and using other conductive particles instead of the WC particles. However, a metal material having corrosion resistance and low contact resistance can be manufactured. As for the graphite paint used to supplement the corrosion resistance, other paints having corrosion resistance and conductivity can be used.
たとえば、上記のＡｌ合金としてAl-Mg合金やAl-Mg-Ti合金を使用するのもよい。
図１（ｂ）は、そのようなAl-Mg-Ti合金の表面上に上記1)〜4)の要領でＷＣ粒子を付着させたものにつき、表面を顕微鏡撮影した写真である。図１（ａ）と同様、写真中の白い塊がＷＣ粒子である。
For example, an Al—Mg alloy or an Al—Mg—Ti alloy may be used as the Al alloy.
FIG. 1 (b) is a photograph of the surface of such an Al—Mg—Ti alloy with the WC particles adhered in the manner described in 1) to 4) under a microscope. As in FIG. 1 (a), the white lump in the photograph is WC particles.
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