特許 5968857 チタン製燃料電池セパレータの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5968857

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】チタン製燃料電池セパレータの製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20160728BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20160728BHJP

   C22C 14/00 20060101ALN20160728BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 B

   !H01M8/10

   !C22C14/00 Z

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-233076(P2013-233076)

(22)【出願日】2013年11月11日

(65)【公開番号】特開2015-95314(P2015-95314A)

(43)【公開日】2015年5月18日

【審査請求日】2015年9月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100064414

【弁理士】

【氏名又は名称】磯野 道造

(74)【代理人】

【識別番号】100111545

【弁理士】

【氏名又は名称】多田 悦夫

(74)【代理人】

【識別番号】100123249

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 哲雄

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 順

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 俊樹

【審査官】 守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０２８０４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１５７３８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、
前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、
前記導電性樹脂層形成工程の後、前記炭素層および前記導電性樹脂層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、
を含むことを特徴とするチタン製燃料電池セパレータの製造方法。

【請求項2】

前記プレス成形工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含む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の製造方法。

【請求項3】

前記炭素層形成工程と前記導電性樹脂層形成工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。

【請求項4】

純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、
前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、
前記プレス成形工程の後、前記炭素層が形成され前記プレス成形された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、
を含むことを特徴とするチタン製燃料電池セパレータの製造方法。

【請求項5】

前記導電性樹脂層形成工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。

【請求項6】

前記炭素層形成工程と前記プレス成形工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載のチタン製燃料電池セパレータの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

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。そのため、燃料電池は、多様な用途や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。

【0003】

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とカソード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（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て構成される。

【0004】

セパレータは、燃料電池において発生した電流を外部へ取り出すための部品でもあるので、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。）が低い材料が適用される。また、セパレータは、燃料電池の内部がｐＨ２〜４程度の酸性雰囲気であるために高耐食性が要求され、さらに前記の低接触抵抗（導電性）がこの酸性雰囲気での使用中に長期間維持されるという特性も要求される。

【0005】

これらの要求を満足するために、基材として金属材料を用いたセパレータが指向され、以下のような提案がされている。

【0006】

例えば、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、これに耐食性と導電性を兼ね備えた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提案されている。
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。

【0007】

ここで、導電性と耐久性、および低コストの要求を満足する材料としてカーボンが注目されており、セパレータへのカーボンの適用が検討されている。具体的には、基材自身の酸化皮膜の表面に、気相成膜法により中間層および炭素薄膜を形成する方法（特許文献１）、基材表面に、半金属元素等からなる部分と炭素等からなる部分とから構成される表面処理層を気相成膜法により形成する方法（特許文献２）、チタンやステンレス鋼等の金属材料からなる基材に、カーボン粒子を付着させたセパレータ（例えば特許文献３〜６）が検討されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第４１４７９２５号公報

【特許文献2】特開２００４−１４２０８号公報

【特許文献3】特許第３９０４６９０号公報

【特許文献4】特許第３９０４６９６号公報

【特許文献5】特許第４８８６８８５号公報

【特許文献6】特許第５１０８９８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献１、２に開示された技術は、気相成膜により金属基材上に導電性薄膜を形成するというものであるが、薄膜形成後に基材にガス流路を形成させるためのプレス成形を行うと、薄膜が基材より剥離する可能性が高い。よって、導電性薄膜の形成は、プレス成形後に真空下にて１枚ずつ行う必要があり、生産性が悪いという欠点がある。
一方、特許文献３〜６に開示された技術は、カーボン粒子やカーボン層がプレス成形に耐える可能性はあるが、プレス成形後のハンドリング（セパレータをセルに組み込む作業等）において、カーボン粒子が脱落したりカーボン層が剥離したりする虞がある。その結果、局所的に基材が露出し、導電性が低下してしまう可能性がある。

【0010】

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであり、その課題は、炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）が基材表面に良好に被覆することにより、プレス成形後のハンドリング（セパレータをセルに組み込む作業等）の際における炭素系導電層の剥離の可能性が抑えられ、セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性を長時間維持できるチタン製燃料電池セパレータの製造方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

発明者らは、鋭意検討を行った結果、炭素層形成工程、導電性樹脂層形成工程の後に、プレス成形工程を行う、または、炭素層形成工程、プレス成形工程の後に、導電性樹脂層形成工程を行うことにより、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）の剥離の可能性を低下させることができ、かつ、高い導電性を長時間維持できることを見出し、本発明を創出するに至った。

【0012】

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の製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、前記導電性樹脂層形成工程の後、前記炭素層および前記導電性樹脂層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、を含むことを特徴とする。

【0013】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程、導電性樹脂層形成工程の後に、プレス成形工程を行うことから、導電性樹脂層がプレス成形時における保護層の役割を果たすため、プレス成形時に炭素層の剥離・脱落を回避することができる。そして、基材に形成された炭素層と導電性樹脂層との２層が、導電性および耐久性（導電耐久性：導電性を長期間維持する性質）を向上させるとともに、導電性樹脂層が、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）の剥離の可能性を低下させる。

【0014】

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記プレス成形工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。

【0015】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、プレス成形工程の後に熱処理工程を行うことから、導電性樹脂層の最表面の樹脂を一部分解除去することができるため、導電性樹脂層の樹脂比率が高いことによる接触抵抗の上昇を抑制することがきる。その結果、より接触抵抗が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。

【0016】

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素層形成工程と前記導電性樹脂層形成工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。

【0017】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程と導電性樹脂層形成工程との間に熱処理工程を含むことから、基材と炭素層との間にチタンカーバイドを含む中間層を形成することができる。その結果、基材と炭素層との密着性が向上するとともに、炭素層および導電性樹脂層の剥離の可能性が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。

【0018】

また、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、純チタンまたはチタン合金からなる基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する炭素層形成工程と、前記炭素層形成工程の後、前記炭素層が形成された前記基材をプレス成形しガス流路を形成するプレス成形工程と、前記プレス成形工程の後、前記炭素層が形成され前記プレス成形された前記基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する導電性樹脂層形成工程と、を含むことを特徴とする。

【0019】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、プレス成形工程の後で導電性樹脂層形成工程を行っているが、プレス成形時における基材の変形に対し炭素層が追従し切れなくなり万が一炭素層が割れてしまっても、その後、積層するように導電性樹脂層を形成させることにより、当該層が炭素層の割れ部分を覆って保護することができる。そして、基材に形成された炭素層と導電性樹脂層との２層が、導電性および耐久性（導電耐久性：導電性を長期間維持する性質）を向上させるとともに、導電性樹脂層が、プレス成形後のハンドリングの際における炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）の剥離の可能性を低下させる。

【0020】

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記導電性樹脂層形成工程の後、前記基材を熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。

【0021】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、導電性樹脂層形成工程の後に熱処理工程を含むことから、導電性樹脂層の最表面の樹脂を一部分解除去することができるため、導電性樹脂層の樹脂比率が高いことによる接触抵抗の上昇を抑制することがきる。その結果、より接触抵抗が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。

【0022】

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素層形成工程と前記プレス成形工程との間に、前記基材を非酸化雰囲気下で熱処理する熱処理工程を含むことが好ましい。

【0023】

このように、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素層形成工程とプレス成形工程との間に熱処理工程を含むことから、基材と炭素層との間にチタンカーバイドを含む中間層を形成することができる。その結果、基材と炭素層との密着性が向上するとともに、炭素層および導電性樹脂層の剥離の可能性が低減したチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。

【発明の効果】

【0024】

本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法は、炭素形成工程と、導電性樹脂層形成工程と、プレス成形工程とを所定の順で行うことから、炭素層と導電性樹脂層とが剥離・脱落せずに基材表面に形成されたチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。
したがって、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法によると、プレス成形後のハンドリング（セパレータをセルに組み込む作業等）の際における炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）の剥離の可能性が抑えられ、セル内部の高温・酸性雰囲気下でも高い導電性を長時間維持できるチタン製燃料電池セパレータを製造することができる。

【0025】

なお、セパレータが自動車用途に用いられる場合、走行時の振動などにより、セパレータ表面が接触するカーボンクロスやカーボンペーパーから摩擦を受ける可能性が高い。しかし、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法によると、基材上には炭素層と導電性樹脂層との２層が形成されることから、前記のような摩擦が原因となる炭素系導電層（炭素層、導電性樹脂層）の剥離の可能性も抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法のフローチャートである。

【図2】（ａ）は、本発明の実施形態に係るチタン製燃料電池セパレータの模式的な断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ部分におけるチタン製燃料電池セパレータの模式的な断面図である。

【図3】本発明の実施例に係る燃料電池セパレータの模式的な断面図である。

【図4】実施例における導電性、耐久性、耐摩耗性の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。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータ（以下、適宜、セパレータという）およびセパレータの製造方法を実施するための形態について、詳細に説明する。

【0028】

≪チタン製燃料電池セパレータ≫
図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るセパレータ１０は、表面にガス流路１３が形成されていることにより、断面視において凹凸状を呈する。そして、セパレータ１０は、ガス拡散層１１、１１と電解質膜１２とが積層して構成されるセル１４とセル１４との間に設けられる。
詳細には、図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係るセパレータ１０は、純チタンまたはチタン合金からなる基材１と、基材１の表面（片面または両面）に形成された炭素系導電層２と、を備え、基材１と炭素系導電層２との間に中間層３を備えていてもよい。
なお、図２（ｂ）では、基材１の片面にのみ炭素系導電層２および中間層３が形成されているセパレータ１０を表しているが、基材１の両面に炭素系導電層２および中間層３が形成されていてもよい。
以下、セパレータ１０の基材１、炭素系導電層２および中間層３について説明する。

【0029】

＜基材＞
本実施形態に係るセパレータの基材は、板材を燃料電池セパレータの形状に成形したものである。そして、ガスの流路となる溝を形成するために必要となる加工性の点、ガスバリア性の点、導電性や熱伝導性の点から金属基材を用いるのが好ましく、特に純チタンやチタン合金は、軽量で耐食性に優れ、強度、靭性にも優れていることから非常に好ましい。

【0030】

そして、基材は、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を用いればよい。また、基材は、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。

【0031】

なお、基材は、特定の組成の純チタン、チタン合金に限定されるものではないが、純チタン、チタン合金からなる基材を用いる場合は、チタン素材（母材）の冷間圧延のし易さ（中間焼鈍なしでトータル圧下率３５％以上の冷間圧延を実施できる）や、その後のプレス成形性確保の観点から、例えばＪＩＳ Ｈ ４６００に規定される１〜４種の純チタンや、Ｔｉ−Ａｌ、Ｔｉ−Ｔａ、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ、Ｔｉ−Ｐｄ等のＴｉ合金を適用することができる。中でも薄型化に特に好適な純チタンが好ましい。具体的には、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く、ＪＩＳ １種の冷間圧延板を使用することができる。なお、チタン基材を用いることにより、セパレータの強度や靱性が向上すると共に、軽量であるため、特に自動車用途として使用し易い。

【0032】

また、基材の板厚は、０．０５〜１．０ｍｍが好ましい。板厚が０．０５ｍｍ未満では、基材に必要とされる強度を確保することができず、一方、１．０ｍｍを超えると水素や空気を通すガス流路の細かな加工がしにくくなるからである。

【0033】

＜炭素系導電層＞
炭素系導電層は、２層構造を呈する。そして、図２（ｂ）に示すように、炭素系導電層２は、基材１に近い側に形成される炭素層２１と、基材２に遠い側に形成される導電性樹脂層２２とから構成される。

【0034】

（炭素層）
炭素層は、黒鉛を含んで構成されるとともに、基材を被覆するように設けられる。そして、炭素層に含まれる黒鉛は、結晶性が高く導電性に優れることから、セパレータに導電性を付与するとともに、燃料電池内部環境（高温、酸性雰囲気）でも導電性を維持する耐久性も付与する。
なお、炭素層に含まれる黒鉛は、好ましくは鱗状黒鉛粉、鱗片状黒鉛粉、膨張化黒鉛粉、及び熱分解黒鉛粉のうちの少なくとも１つを含んで構成される。

【0035】

そして、炭素層は、後記する導電性樹脂層と異なり、樹脂（バインダ樹脂）を実質的に含まない。ここで、「樹脂を実質的に含まない」とは、炭素層中において、樹脂の固形成分と黒鉛の質量比（炭素層中樹脂固形分質量／炭素層中炭素粉質量）が０．１以下であることを示す。

【0036】

炭素層は、基材の表面全体に被覆されていることが好ましいが、必ずしも表面全体が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、表面の４０％以上に被覆されていればよい。被覆率が４０％未満であると導電性が不十分でセパレータとしての要求特性を満たさない。被覆率の好ましい範囲は４５％以上で、より好ましくは５０％以上である。

【0037】

炭素層の付着量は、特に限定されないが、２〜１０００μｇ／ｃｍ^２であることが好ましい。２μｇ／ｃｍ^２未満では、付着量が少なく導電性と耐食性を確保することができず、１０００μｇ／ｃｍ^２を超えると、導電性と耐食性の効果について飽和するのに加えて、加工性が低下するためである。そして、炭素層の付着量は、より好ましくは５μｇ／ｃｍ^２以上であり、さらに好ましくは１０μｇ／ｃｍ^２以上である。
なお、炭素層の被覆率および付着量は、後記する黒鉛粉塗布工程において基材に塗布する黒鉛粉の量により制御することができる。

【0038】

（導電性樹脂層）
導電性樹脂層は、炭素粉と樹脂とを含んで構成され、導電性と耐摩耗性を併せ持つ保護膜としての働きを持つ。
導電性樹脂層に含まれる炭素粉としては、カーボンブラック粉、アセチレンブラック粉、黒鉛粉又はこれらの混合粉であるのが好ましい。これらの粉末は導電性と耐食性に優れるとともに、安価な材料であるため生産上好都合である。

【0039】

導電性樹脂層を形成するための樹脂（バインダ樹脂）は、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、アルキッド樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂から選択される１つ以上の樹脂である。なお、２つ以上の樹脂を含む場合、樹脂同士が反応したものであってもよいし、単に混合したものであってもよい。ただ、この樹脂は塗料化が可能な樹脂であることが好ましい。さらには、燃料電池内の高温（８０〜１００℃）、酸性（ｐＨ２〜４）雰囲気下でも安定であるウレタン樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フッ素樹脂より選択するのがより好ましい。

【0040】

導電性樹脂層は、樹脂と炭素粉とを混合して調製された導電性樹脂塗料を塗布することによって形成されるが、塗料中における樹脂の固形成分と炭素粉の質量比（塗料中樹脂固形分質量／塗料中炭素粉質量）は０．５〜１０であることが好ましい。本質量比が０．５未満であると、導電性樹脂層となった際の樹脂成分の比率が小さくなるため、層としての強度が不足し狙いの耐摩耗性が得られない。一方、本質量比が１０を超えると導電性樹脂層となった際の炭素粉の比率が小さくなり、層としての電気抵抗が増加するため、セパレータ材の特性上好ましくない。より好ましい本質量比の範囲は０．８〜８である。

【0041】

導電性樹脂層の厚さは０．１〜２０μｍが好ましい。導電性樹脂層の厚さが０．１μｍ未満であると、わずかな摩擦で導電性樹脂層が破れてしまい耐摩耗性が不十分となってしまう。一方、導電性樹脂層の厚さが２０μｍを超えると、層としての電気抵抗が増加するため、セパレータの特性上好ましくない。より好ましい導電性樹脂層の厚さは０．３〜１９μｍである。

【0042】

（炭素層と導電性樹脂層との関係）
炭素層上に導電性樹脂層を形成したときに、導電性樹脂層に添加した黒鉛粉が当該層よりわずかに突出した状態であると、その部分が良好な導電パスとなり導電性樹脂層の電気抵抗が低減するため非常に好ましい。
そして、炭素層の被覆率は、前記のとおり、必ずしも１００％でなくてもよく、４０％以上であればよい。ここで、炭素層の被覆率が１００％より小さい場合、炭素層表面の一部には基材のチタン、チタン合金の表面が露出している箇所があり、この部分では基材上に直接導電性樹脂層が形成されている状態になる。言い換えると、基材上に２層の炭素系導電層が形成されている部分と、１層の導電性樹脂層のみが形成されている部分が混在する状態となる。１層の導電性樹脂層でも導電性が得られるが、２層の炭素系導電層が形成されている部分では導電性が特に良好となって、当該部分が良好な導電パスとなる。つまり、本発明では、炭素系導電層が２層構造を呈することにより、マクロ的にも十分な導電性および耐久性が得られる。
なお、導電性樹脂層の被覆率は、好ましくは１００％であるが、耐摩耗性および導電性を確保するために、７０％以上であればよい。

【0043】

＜中間層＞
図２（ｂ）に示すように、本実施形態に係るセパレータ１０の中間層３は、基材１と炭素層２１との界面に形成されるのが好ましい。そして、中間層は、基材と炭素層との界面でＣ、Ｔｉが互いに拡散することにより反応して生成したチタンカーバイド（炭化チタン、ＴｉＣ）を含み、さらに炭素固溶チタン（Ｃ固溶Ｔｉ）を含んでいてもよい。
そして、チタンカーバイドは導電性を有するため、基材と炭素層との界面における電気抵抗が小さくなる。よって、チタンカーバイドを含む中間層を備えることによりセパレータの導電性はさらに向上する。加えて、チタンカーバイドを含む中間層は、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が向上する。

【0044】

≪チタン製燃料電池セパレータの製造方法≫
次に、本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法について説明する。
図１に示すように、本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程Ｓ１と、導電性樹脂層形成工程Ｓ３と、プレス成形工程Ｓ４と、を含む。
また、本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程Ｓ１の後に、熱処理工程Ｓ２を含むことが好ましく、プレス成形工程Ｓ４（または、導電性樹脂層形成工程Ｓ３）の後に、熱処理工程Ｓ５を含むことが好ましい。また、炭素層形成工程Ｓ１の前に、基材製造工程を含んでいてもよい。
以下、各工程を詳細に説明した後、各工程の順について説明する。

【0045】

＜基材製造工程＞
基材製造工程とは、前記した純チタンまたはチタン合金を公知の方法で鋳造、熱間圧延し、必要に応じて間に焼鈍・酸洗処理等を行って、冷間圧延にて所望の厚さまで圧延して、板（条）材を製造する工程である。なお、冷間圧延後の焼鈍仕上げの有無は問わないが、プレス成形時に必要となる加工性を確保するために冷間圧延後に焼鈍を行うことが好ましい。その他、冷間圧延後（＋焼鈍後）の酸洗の有無は問わない。

【0046】

＜炭素層形成工程＞
炭素層形成工程Ｓ１とは、基材表面に黒鉛を含む炭素層を形成する工程である。
この炭素層形成工程Ｓ１では、まず、基材の表面（片面または両面）に黒鉛粉を塗布する（黒鉛粉塗布工程）。塗布方法については、特に限定されないが、黒鉛粉を基材上に粉末状のまま直接付着させたり、黒鉛粉をメチルセルロース等の水溶液や樹脂等のバインダを含む塗料中に分散させたスラリーを、基材の表面に塗布したりすればよい。

【0047】

基材の表面に塗布する黒鉛粉については、直径０．５〜１００．０μｍのものを使用することが好ましい。直径が０．５μｍ未満だと、後記する圧延工程時に粉末が基材に押し付けられる力が小さくなり基材と密着しにくい。一方、直径が１００．０μｍを超えると、黒鉛粉塗布工程および後記する圧延工程において、基材表面に付着し難くなる。

【0048】

なお、黒鉛粉を分散させたスラリーを基材に塗付する方法は、特に限定されないが、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ディップコーター、スプレーコーター等を用いて基材にスラリーを塗付すればよい。
黒鉛粉を基材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、黒鉛粉と樹脂とを混練して作製した黒鉛粉含有フィルムを基材上に貼り付ける方法や、ショットブラストにより黒鉛粉を基材表面に打ち込み、基材表面に担持させる方法等が考えられる。

【0049】

そして、炭素層形成工程Ｓ１では、黒鉛粉を塗布後、冷間圧延を施すことにより、基材表面に黒鉛粉を圧着させる（圧着工程）。圧着工程を経ることで、黒鉛粉は、炭素層として基材表面に圧着することとなる。なお、基材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。圧延後には黒鉛粉は粒状ではなく、基材上に薄い層状となって付着して基材表面を覆うような状態となっている。

【0050】

この圧着工程において、炭素層が、基材に密着性よく圧着するためには、トータル圧下率０．１％以上で圧延を施すことが好ましい。
なお、圧下率は、冷間圧延前後の炭素層を含めた材料厚さの変化から算出した値であり、「圧下率＝（ｔ０−ｔ１）／ｔ０×１００」（ｔ０：黒鉛粉塗布工程後の初期材料厚さ、ｔ１：圧延後の材料厚さ）により算出する。

【0051】

＜熱処理工程＞
熱処理工程Ｓ２とは、炭素層が形成された基材に非酸化雰囲気下で熱処理する工程である。詳細には、熱処理工程Ｓ２とは、基材と炭素層との界面に、基材と炭素層とが反応して形成されたチタンカーバイドを含む中間層を形成させるため、炭素層形成工程Ｓ１における圧着工程後に、非酸化性雰囲気において熱処理を行う工程である。なお、熱処理工程Ｓ２により、基材が焼鈍され、プレス成形時の加工性も確保できる。

【0052】

熱処理工程Ｓ２における熱処理温度の範囲は、３００〜８５０℃であることが好ましい。熱処理温度が３００℃未満であると、黒鉛（炭素層）と基材間の反応が起こりにくく密着性が向上し難くなる。一方、熱処理温度が８５０℃を超えると、基材（チタン）の相変態が起こる可能性があり、機械特性が低下する可能性がある。
熱処理工程Ｓ２における熱処理温度の範囲は、より好ましくは４００〜８００℃であり、さらに好ましくは、４５０〜７８０℃である。

【0053】

また、熱処理工程Ｓ２における熱処理の時間は、０．５分〜１０時間であることが好ましい。そして、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よい。また、ロールトゥーロールやシート形状で熱処理する場合、あるいはコイル状に巻いた状態で熱処理する場合など、材料の状態に応じても熱処理温度および時間を適宜調整して実施することができる。
なお、黒鉛粉を分散させたスラリー中に含まれる樹脂成分（バインダ樹脂成分）や溶剤は、この熱処理によって炭化してほぼ無機物となるため、本炭素層中には実質的に樹脂成分は含まれなくなり、良好な導電性が得られる。

【0054】

また、熱処理工程Ｓ２は真空中やＡｒガス雰囲気等の非酸化性雰囲気下において行う。この熱処理工程Ｓ２における非酸化性雰囲気とは、酸素分圧が低い雰囲気であり、好ましくは、酸素分圧が１０Ｐａ以下の雰囲気である。１０Ｐａを超えると、黒鉛が雰囲気中の酸素と反応することで、二酸化炭素となってしまい（燃焼反応を起こしてしまい）、基材が酸化してしまうことによって導電性が劣化してしまうからである。

【0055】

＜導電性樹脂層形成工程＞
導電性樹脂層形成工程Ｓ３とは、炭素層が形成された基材に炭素粉と樹脂とを含む導電性樹脂層を形成する工程である。この導電性樹脂層形成工程Ｓ３では、具体的には、基材に形成された炭素層表面に導電性樹脂塗料を積層塗布する。
この導電性樹脂塗料は、前記した樹脂（バインダ樹脂）を含む塗料中に前記した炭素粉を、樹脂固形分と炭素粉との質量比率が前記範囲になるように分散させて調製して用いればよい。
なお、導電性樹脂塗料の溶剤については、特に限定されず、公知の有機溶剤等を用いればよい。

【0056】

なお、炭素粉を分散させた導電性樹脂塗料を基材に塗付する方法は、特に限定されないが、バーコーター、ロールコーター、グラビアコーター、ディップコーター、スプレーコーター等を用いて炭素層上に導電性樹脂塗料を塗付すればよい。

【0057】

＜プレス成形工程＞
プレス成形工程Ｓ４とは、基材を成形しガス流路を形成させる工程である。
プレス成形工程Ｓ４における基材の成形は、成形用の金型を用い、公知のプレス成形装置により行えばよい。なお、プレス成形時における潤滑剤の使用の有無は、狙う形状の複雑さ等に応じて適宜判断すればよく、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処理を、プレス成形工程の一部として行えばよい。

【0058】

＜熱処理工程＞
熱処理工程Ｓ５とは、炭素層と導電性樹脂層（および中間層）が形成された基材を所定温度で熱処理する工程である。
熱処理工程Ｓ５では、導電性樹脂層の接触抵抗を更に下げるために２００〜５５０℃の範囲での熱処理を行う。導電性樹脂層中の樹脂成分比率が高いと接触抵抗がやや高くなる場合があるが、このような場合に２００〜５５０℃の範囲での熱処理を行うことにより、導電性樹脂層の最表面を覆う樹脂膜の一部が分解除去されて添加した炭素粉が露出する状態となり、この部分での導電性が高まる。

【0059】

熱処理温度が２００℃よりも低いと接触抵抗低減効果が弱いため、狙いの接触抵抗まで低減させるのに長い時間がかかってしまう。一方、５５０℃を超える温度では接触抵抗低減効果が飽和するのに加え、導電性樹脂層の分解が進行し過ぎてしまい狙いの耐摩耗性が得られなくなる可能性がある。
熱処理工程Ｓ４における熱処理温度の範囲は、好ましくは２５０〜５００の範囲、より好ましくは２７０〜４５０℃の範囲である。
そして、熱処理工程Ｓ４の熱処理雰囲気は、例えば大気雰囲気のような酸素を含む雰囲気で実施することができる。

【0060】

≪各工程の順≫
本発明に係るチタン製燃料電池セパレータの製造方法における前記した各工程の順について詳細に説明する。

【0061】

本発明に係るセパレータの製造方法は、炭素層形成工程Ｓ１（および熱処理工程Ｓ２）の後、図１（ａ）に示すように、導電性樹脂層形成工程Ｓ３→プレス成形工程Ｓ４→熱処理工程Ｓ５の順の場合と、図１（ｂ）に示すように、プレス成形工程Ｓ４→導電性樹脂層形成工程Ｓ３→熱処理工程Ｓ５の順の場合とがある。

【0062】

図１（ａ）に示す順の場合、プレス成形工程Ｓ４の前に導電性樹脂層形成工程Ｓ３を行っていることから、基材にプレス成形を施すにあたり、導電性樹脂層がプレス成形時における保護層の役割を果たすため、プレス成形時に炭素層の剥離・脱落を回避することができる。
なお、プレス成形工程Ｓ４の程度によっては導電性樹脂層に割れが発生することが予想されるが、このような場合にはプレス成形工程Ｓ４の後に再度、導電性樹脂層形成工程Ｓ３を行ってもよい。

【0063】

図１（ｂ）に示す順の場合、プレス成形工程Ｓ４の後で導電性樹脂層形成工程Ｓ３を行っているが、プレス成形時における基材の変形に対し炭素層が追従し切れなくなり万が一炭素層が割れてしまっても、その後、積層するように導電性樹脂層を形成させることにより、当該層が炭素層の割れ部分を覆って保護することとなる。その結果、基材からの炭素層の剥離・脱落の可能性を低下させることができる。

【0064】

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。

【実施例1】

【0065】

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。

【0066】

≪試験体の作製≫
［基材]
基材には、ＪＩＳ １種のチタン基材を使用した。
チタン基材（冷間圧延仕上げ）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る。そして、チタン基材の板厚は、０．１ｍｍであり、サイズは８０×１６０ｍｍとした。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。

【0067】

［炭素層]
黒鉛粉として、膨張化黒鉛粉（ＳＥＣカーボン社製、ＳＮＥ−６Ｇ、平均粒径７μｍ、純度９９．９％）を用い、黒鉛粉を０．７ｗｔ％カルボキシメチルセルロース水溶液中に７ｗｔ％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５番の番手のバーコーターを用いてチタン基材の両面にスラリーを塗布し、黒鉛粉塗工材料を作製した。
そして、ワークロール径２００ｍｍの２段圧延機を用いて、荷重２．５トンでロールプレスし、黒鉛粉を潰して基材上に密着させた。なお、ワークロールには潤滑油を塗布していない。
上記、炭素層を形成した材料を、６．７×１０^−３Ｐａの真空雰囲気下において、６５０℃の温度で５分間の熱処理を施した。
なお、本方法により得られた試験体の炭素層の被覆率はおおよそ６０％であった。

【0068】

［導電性樹脂層−１］
導電性樹脂塗料は、フェノール樹脂（荒川化学工業社製、タマノル２８００）、アクリル樹脂（東レ・ファインケミカル社製、コータックスＬＨ６８１）、エポキシ樹脂（セメダイン社製、ＥＰ１０６）、ポリエステル樹脂（荒川化学工業社製、７００５Ｎ）、シリコーン樹脂（信越シリコーン社製、ＫＲ２５１）の塗料を用い、それぞれの塗料に炭素粉末を分散させて作製した。炭素粉末としては、カーボンブラック粉末（キャボット社製、バルカンＸＣ７２、平均粒径４０ｎｍ、純度９９．２％）、黒鉛粉末（伊藤黒鉛社製、Ｚ−５Ｆ、平均粒径４μｍ、純度９８．９％）を用いた。
各種樹脂系の塗料をそれぞれに適した有機溶媒を用いて、塗料中の固形分（樹脂成分＋炭素粉末）の濃度（＝（（樹脂成分質量＋炭素粉末質量）×１００）／塗料質量）がおよそ１８質量％となるように、固形分中の炭素粉末の質量濃度（＝（炭素粉末質量×１００）／（樹脂成分質量＋炭素粉末質量））がおよそ２５質量％となるように、カーボンブラック粉末と黒鉛粉末の比率が１０：１となるように濃度調整し、当該塗料をバーコーターを用いて炭素層を形成した材料上に塗布して乾燥させた。このようにして基材の両面に導電性樹脂層を形成した。このとき使用するバーコーターの番手を変えることで導電性樹脂層の厚さを変えた試験体を作製した。

【0069】

［プレス成形］
表面に炭素層および導電性樹脂層が形成された基材を５０ｍｍ×５０ｍｍに切り出した後、金型でプレス成形を行い、図３のような形状とした。

【0070】

［導電性樹脂層形成後の熱処理］
導電性樹脂層を形成した後にプレス成形を行って得た試験体のうち幾つかを熱処理に供した。そして、熱処理は、大気雰囲気下において３００〜４００℃の条件で、処理時間を適宜調整して実施した。

【0071】

≪試験体の評価≫
［炭素層被覆率測定］
炭素層を形成した試験体の表面について走査型電子顕微鏡を用いて、２００倍の観察倍率で５５０×４００μｍの範囲を観察し、その反射電子像を撮影した。その反射電子像を画像処理により炭素層が被覆している部分と、炭素層が被覆せず基材が露出する部分と、に分けて二値化し、炭素層が占める面積率を計算し被覆率を求めた。観察は１試験体あたり３視野行い、３視野の平均値を算出した。

【0072】

［導電性樹脂層の厚さ測定］
炭素層を形成した試験体上に導電性樹脂層を形成する前後の材料厚さについてマイクロメーターを用いて測定し、前後の厚さの差より導電性樹脂層の厚さを算出した。厚さの測定は１試験体あたり３箇所で行い、３箇所の平均値を算出した。

【0073】

［接触抵抗測定］
得られた各試験体について、図４に示す接触抵抗測定装置を用いて、接触抵抗を測定した。詳細には、試験体の両面を２枚のカーボンペーパーで挟み、さらにその外側を接触面積４ｃｍ^２の２枚の銅電極で挟んで荷重４０ｋｇｆで加圧し、直流電流電源を用いて７．４ｍＡの電流を通電し、カーボンペーパーの間に加わる電圧を電圧計で測定して、接触面積を平板の場合の２／５であるとして接触抵抗（初期接触抵抗）を求めた。
初期接触抵抗が１２ｍΩ・ｃｍ^２以下の場合を導電性が良好、１２ｍΩ・ｃｍ^２を超える場合を導電性が不良とした。

【0074】

［耐久性評価］
また、初期接触抵抗が合格判定となった試験体において、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１０ｍｌ／ｃｍ^２である８０℃の硫酸水溶液（ｐＨ２）に５００時間の浸漬処理を行った後、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。
耐久試験後の接触抵抗が１５ｍΩ・ｃｍ^２以下の場合を耐久性が合格、１５ｍΩ・ｃｍ^２を超える場合を耐久性が不合格とした。

【0075】

［耐摩耗性の評価］
炭素系導電層の耐摩耗性を、接触抵抗の測定に用いた接触抵抗測定装置（図４参照）を流用して評価した。作製した試験体を、両面から２枚のカーボンクロスで挟み、さらにその外側を接触面積４ｃｍ^２の銅電極で接触荷重４０ｋｇｆに加圧し、両面から加圧された状態を保持したまま、試験体を溝の向きと平行の方向に引き抜いた（引抜き試験）。引抜き試験後、試験体表面における摺動領域を光学顕微鏡にて観察し、炭素系導電層の残存状態、すなわち基材の露出の程度で評価した。
耐摩耗性の判断基準は、試験体溝凸領域の表面（ガス流路外面の平面部４）に基材の露出がまったく見られずＲ部にも露出が見られない場合を◎、試験体溝凸領域の表面に基材の露出はまったく見られないが、Ｒ部に若干の基材の露出が見られた場合を○、試験体溝凸領域の表面において基材の露出した面積の割合が５０％未満のものを△、基材の露出した面積の割合が５０％以上の場合を×として、○以上を合格とした。

【0076】

導電性樹脂層の樹脂の種類および厚さ、導電性樹脂層形成後の熱処理条件、初期および耐久試験後の接触抵抗および耐摩耗性評価結果を表１に示す。

【0077】

【表1】

【0078】

試験体Ｎｏ．１は炭素層のみのものであり、初期の導電性は優れているが、耐久性は合格範囲内であったものの接触抵抗値の上昇が顕著で、かつ、耐摩耗性が不十分という結果となった。
一方、試験体Ｎｏ．２〜９は本発明に規定する方法により製造されたものであり、プレス成形後も導電性、耐久性、耐摩耗性のいずれもが合格範囲であった。特に導電性樹脂層を形成後に熱処理を行った試験体Ｎｏ．３、４、７、９は接触抵抗が低い値となり、耐久性も良好であるため好ましいことがわかった。

【実施例2】

【0079】

≪試験体の作製≫
実施例１と同様の方法および材料により、純チタン基材上に被覆率約６０％の炭素層を形成し、熱処理を施し、その材料にプレス成形を行った後、以下の方法により両面に導電性樹脂層を形成した。

【0080】

［導電性樹脂層−２］
導電性樹脂塗料は、フェノール樹脂（荒川化学工業社製、タマノル２８００）、アクリル樹脂（東レ・ファインケミカル社製、コータックスＬＨ６８１）、エポキシ樹脂（セメダイン社製、ＥＰ１０６）、ポリエステル樹脂（荒川化学工業社製、７００５Ｎ）、シリコーン樹脂（信越シリコーン社製、ＫＲ２５１）の塗料を用い、それぞれの塗料に炭素粉末を分散させて作製した。炭素粉末としては、カーボンブラック粉末（キャボット社製、バルカンＸＣ７２、平均粒径４０ｎｍ、純度９９．２％）、黒鉛粉末（伊藤黒鉛社製、Ｚ−５Ｆ、平均粒径４μｍ、純度９８．９％）を用いた。
各種樹脂系の塗料をそれぞれに適した有機溶媒を用いて、塗料中の固形分（樹脂成分＋炭素粉末）の濃度（＝（（樹脂成分質量＋炭素粉末質量）×１００）／塗料質量）がおよそ１８質量％となるように、固形分中の炭素粉末の質量濃度（＝（炭素粉末質量×１００）／（樹脂成分質量＋炭素粉末質量））がおよそ４０質量％となるように、カーボンブラック粉末と黒鉛粉末の比率が４：１となるように濃度調整し、当該塗料をプレス成形後の材料上にスプレー塗布して乾燥させた。このようにしてプレス成形後の材料の両面に導電層を形成して各種試験体を作製した。

【0081】

［導電性樹脂層形成後の熱処理］
プレス成形後に導電性樹脂層を形成して得た試験体のうち幾つかを熱処理に供した。大気熱処理を用い、４００℃の条件で処理時間を適宜調整して実施した。

【0082】

≪試験体の評価≫
実施例１と同様の方法により、初期接触抵抗、耐久性、耐摩耗性の評価を実施した。
なお、導電性樹脂塗料スプレー塗布後の導電性樹脂層の厚さは、材料の一部を樹脂埋めした後断面加工を行い、断面からのＳＥＭ観察を行って視野中で平均的と思われる箇所での樹脂層厚さを計測した。断面観察は１試験体あたり３視野行い、３視野の平均値を算出した。

【0083】

導電性樹脂層の樹脂の種類および厚さ、導電性樹脂層形成後の熱処理条件、初期および耐久試験後の接触抵抗および耐摩耗性評価結果を表２に示す。

【0084】

【表2】

【0085】

試験体Ｎｏ．１０〜１６は本発明に規定する方法により作製されたものであり、プレス成形後も導電性、耐久性、耐摩耗性のいずれもが合格範囲であった。なお、プレス成形後に導電性樹脂層を形成したものは、耐摩耗性について非常に良好な結果が得られた。

【符号の説明】

【0086】

１ 基材
２ 炭素系導電層
３ 中間層
１０ チタン製燃料電池セパレータ（セパレータ）
２１ 炭素層
２２ 導電性樹脂層
Ｓ１ 炭素層形成工程
Ｓ２ 熱処理工程
Ｓ３ 導電性樹脂層形成工程
Ｓ４ プレス成形工程
Ｓ５ 熱処理工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】