JP6943782B2 - セパレータ材の製造方法 - Google Patents
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Description
まず、図1を参照して、本実施形態に係るセパレータ材1について説明し、次に、図1〜5を参照して、本実施形態に係るセパレータ材1の製造方法について説明する。
図1は、本実施形態のセパレータ材1の模式的な断面図である。
セパレータ材1の製造方法では、まず、カーボンブラック層形成工程S1を行う。この工程では、図3に示すように、セパレータ材1の基材であり、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材2の表面にカーボンブラックを塗布することにより、カーボンブラック層3’を形成する。
次に、混合層形成工程S2を行う。この工程では、図4に示すように、カーボンブラックが塗布されたチタン基材2に対して、酸素分圧が1〜100Paで酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱処理を行う。これにより、チタン基材2のチタン原子をカーボンブラック層3’(図3を参照)に外方拡散させるとともに、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させて酸化チタン32を生成し、酸化チタン32と、酸化チタン32に保持されたカーボンブラック31とからなる混合層3を形成する。
次に、カーボンブラック除去工程S3を行う。この工程では、図5に示すように、カーボンブラック層3’を形成したカーボンブラックのうち、混合層3の表面に残存したカーボンブラック31a(図4を参照)を除去する。残存したカーボンブラック31aは、混合層3の厚みがカーボンブラック層3’の厚みより小さいため、酸化チタン32に保持されなかった余剰のカーボンブラックが混合層3の表面に残存したものである。残存したカーボンブラック31aを除去する方法は特に限定されないが、具体的には、ウォータージェット洗浄、ブラスト洗浄、ブラシ洗浄、または超音波洗浄などを挙げることができる。なお、カーボンブラックを除去する際には、カーボンブラックが、混合層が形成された側の表面全体に対して、面積率で5%以下となることが好ましい。
次に、炭化チタン層吸収工程S4を行う。この工程では、図1に示すように、カーボンブラック除去工程S3後のチタン基材2に対して、再度加熱処理を行うことにより、混合層形成工程S2において、混合層3とチタン基材2との界面に生成された炭化チタン層4(図4、図5を参照)をチタン基材2に吸収させる。
本実施形態によれば、上述のように、再度の加熱処理を行うことにより、混合層形成工程S2において、混合層3とチタン基材2との界面に生成された炭化チタン層4をチタン基材2に吸収させる。これにより、セパレータ材1の混合層3とチタン基材2との界面には炭化チタン層4が形成されていない。このため、セパレータ材1のプレス加工など加工の如何にかかわらず、製造されたセパレータ材を燃料電池に組み込んで使用しても、炭化チタン層からチタン原子が燃料電池の生成水に溶出することが起因として、チタン基材から混合層の剥離することはない。このため、セパレータ材から得られた燃料電池のセパレータの耐久性が確保され、その接触抵抗の上昇を抑制することができる。
<実施例>
上述したカーボンブラック層形成工程S1〜炭化チタン層吸収工程S4に沿って、本発明のセパレータ材に相当する試験体として、実施例に係る試験体を作製した。
まず、チタン合金からなるチタン基材を準備し、その表面にカーボンブラックを塗布することにより、カーボンブラック層を形成した。
次に、カーボンブラックを塗布したチタン基材に対して、低酸素雰囲気下で加熱処理(酸素分圧20Pa、温度600℃、処理時間15秒)を行なった。このようにして、チタン基材のチタン原子をカーボンブラック層に外方拡散させるとともに、外方拡散したチタン原子と酸素ガスとを反応させて酸化チタンを生成し、酸化チタンと、酸化チタンに保持されたカーボンブラックからなる混合層を形成した。
次に、上述した混合層形成工程で得られた試験体の混合層の表面に残存したカーボンブラックを除去した。カーボンブラックの除去を、ブラシ洗浄により行なった。ブラシ洗浄後の試験体を水洗した。この結果を図6(a)、(b)に示す。図6(a)は、カーボンブラックの除去前のチタン基材の断面写真であり、図6(b)は、カーボンブラックの除去後のチタン基材の断面写真である。これらの断面写真から、カーボンブラックが除去されたことが分かる。
次に、カーボンブラック除去工程で得られた試験体に対して、真空雰囲気下で再度加熱処理(圧力2Pa、温度580℃、処理時間15秒)を行うことにより、混合層形成工程において、混合層とチタン基材との界面に生成された炭化チタン層をチタン基材に吸収させた。形成した混合層の厚みは約50nmであった。得られた試験体を実施例とした。
実施例と同じように試験体を作製した。実施例と相違する点は、上述した混合層形成工程の次に炭化チタン層吸収工程と同じ加熱処理を行い、その後、カーボンブラック除去工程を行った点である。したがって、比較例では、カーボンブラック除去工程後に、実施例の如き炭化チタン層吸収工程を行っていない。得られた試験体に対して、混合層とチタン基材との界面付近の組成状態をTEM−EELSを用いて分析した結果、混合層とチタン基材との界面に、炭化チタン層が存在していた。
耐久性試験として、図8に示す腐食試験装置10を用いて、実施例および比較例の試験体に対して腐食試験を実施した。図8は腐食試験に用いる装置を説明する模式的概念図である。まず、腐食試験を行うまえに、セパレータ材へのプレス加工条件を模擬するために、実施例および比較例の試験体を引張した。具体的には、実施例および比較例の試験体の長さを100%とした場合、それぞれの試験体を約130%の長さになるように、引張した。引張した各試験体に対して以下に説明する腐食試験を行った。
上述した腐食試験を行う前の実施例及び比較例の試験体と、腐食試験を行った実施例および比較例の試験体に対して接触抵抗値を測定した。具体的には、各試験体の両面を、燃料電池のガス拡散層(GDL)に相当するカーボンクロスで挟み、さらにその外側を2枚の銅電極で挟み、所定の荷重で加圧した。そして、電源を用いて銅電極間に所定量の電流を通電し、カーボンクロスの間に加わる電圧を電圧計で測定し、接触抵抗値を算出した。結果を図9に示す。
図9は、実施例および比較例に係る腐食試験前後のガス拡散層(GDL)に対する接触抵抗値を示すグラフである。なお、図9において、腐食試験前および腐食試験後をそれぞれ「初期」および「耐久後」として示す。図9に示すように、耐久後(腐食試験後)の実施例の試験体の接触抵抗値は、比較例のものに比べて、低かった。一方、初期(腐食試験前)では、比較例および実施例の試験体の接触抵抗値はほぼ同じであった。
腐食試験を行う前の実施例及び比較例の試験体と、腐食試験を行った実施例および比較例の試験体の断面を電子顕微鏡で観察した。図10は、比較例の試験体の断面観察結果を示した写真であり、図10(a)は腐食試験前、図10(b)は腐食試験後の試験体の断面観察結果を示した写真である。図11は、実施例の試験体の断面観察結果を示した写真であり、図11(a)は腐食試験前、図11(b)は腐食試験後の試験体の断面観察結果を示した写真である。
初期(腐食試験前)の実施例および比較例の試験体では、混合層とチタン基材との界面に剥離は認められなかった(図10(a)および図11(a)参照)。一方、耐久後(腐食試験後)の比較例の試験体では、混合層とチタン基材との界面(図10(b)参照)に剥離が生じていた。それに対して、耐久後(腐食試験後)の実施例の試験体では、比較例のものと異なり、混合層とチタン基材との界面に剥離が発生していなかった(図11(b)参照)。
比較例の試験体では、混合層とチタン基材との界面に炭化チタン層が形成されていた。これは、カーボンブラックの輻射率はチタン基材の輻射率よりも高いため、混合層にカーボンブラックが残存した状態で再度加熱処理を行うと、試験体の温度が急激に上昇すると考えられる。このような再度の加熱処理により、炭化チタンの炭素が、チタン基材に拡散するが、その一方で、炭化チタン層に、カーボンブラックの炭素が供給されるため、炭化チタン層は、チタン基材に吸収されずに、残存してしまうと考えられる。
Claims (1)
- 燃料電池用のセパレータ材の製造方法であって、
前記セパレータ材の基材であり、チタンまたはチタン合金からなるチタン基材の表面にカーボンブラックを塗布することにより、カーボンブラック層を形成するカーボンブラック層形成工程と、
前記カーボンブラック層が形成された前記チタン基材に対して、酸素分圧が1〜100Paで酸素ガスを含む低酸素雰囲気下で加熱処理を行うことにより、前記チタン基材のチタン原子を前記カーボンブラック層に外方拡散させるとともに、前記外方拡散したチタン原子と前記酸素ガスとを反応させて酸化チタンを生成し、前記酸化チタンと、前記酸化チタンに保持されたカーボンブラックとからなる混合層を形成する混合層形成工程と、
前記カーボンブラック層を形成したカーボンブラックのうち、前記混合層の表面に残存したカーボンブラックを除去するカーボンブラック除去工程と、
前記カーボンブラック除去工程後の前記チタン基材に対して、再度加熱処理を行うことにより、前記混合層形成工程において、前記混合層と前記チタン基材との界面に生成された炭化チタン層を前記チタン基材に吸収させる炭化チタン層吸収工程と、を含むことを特徴とする燃料電池用のセパレータ材の製造方法。
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