[发明专利]电极用钛材及电极用钛材的表面处理方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电极用钛材，特别是涉及一种适于燃料电池用的钛制间隔件的电极用钛材及电极用钛材的表面处理方法。

背景技术

通过连续供给氢等燃料和氧等氧化剂可以持续获取电力的燃料电池，与干电池等一次电池或铅蓄电池等二次电池不同，其发电效率高，不怎么受系统规模大小的影响，噪音或振动也少，因此，作为覆盖多种多样的用途、规模的能源备受期待。具体而言，燃料电池正在以固体高分子型燃料电池(PEFC)、碱性电解质型燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐型燃料电池(MCFC)、固体氧化物型燃料电池(SOFC)、生物燃料电池等的形式被开发。

列举固体高分子型燃料电池作为燃料电池的一例进行说明，这样的固体高分子型燃料电池按以下方式构成：将用阳极电极和阴极电极夹持固体高分子电解质膜而成的组件作为单独单元(cell)，通过被称为间隔件(或双极板)的电极重叠多个上述单独单元。

对于该燃料电池用间隔件的材料，要求接触电阻(是指在电极和间隔件表面之间由于界面现象而产生电压降低)低、且在作为间隔件使用的过程中能长期维持接触电阻低的特性。在该观点基础上再结合加工性及强度的观点，以往，一直在研究铝合金、不锈钢、镍合金、钛合金等金属材料的应用。

例如，在专利文献1中，关于燃料电池用间隔件，记载了将不锈钢用作基材、对其表面实施镀金来制造的内容。另外，例如在专利文献2中记载了以下内容：将不锈钢、钛材用作基材，在其表面使贵金属或贵金属合金附着，或在除去了上述基材表面的氧化被膜后使贵金属或贵金属合金附着。另外，例如在专利文献3中记载了如下内容：将钛材用作基材，除去其表面的氧化被膜，然后使1～100nm的岛状镀金部散布。

专利文献1：日本特开平10-228914号公报

专利文献2：日本特开2001-6713号公报

专利文献3：日本特开2006-97088号公报

专利文献1～3记载的间隔件使用不锈钢或钛之类的耐腐蚀性金属作为基材，因此，在以氢气为燃料的固体高分子型燃料电池中，腐蚀少，可以某种程度上维持低的接触电阻。但是，在从燃料电池可以小型化的观点出发而正在进行开发的、将燃料设定为甲醇水溶液的直接甲醇型燃料电池中，甲醇在电极催化剂上与水反应而生成氢时，还生成腐蚀性高的甲酸。不锈钢或钛由于其表面形成钝态被膜，因此，耐腐蚀性优异，但因甲酸为还原性的酸，因此，将钝态被膜还原溶解而腐蚀不锈钢或钛。因此，当镀金层等上有针孔(pinhole)时，则从那一点开始腐蚀基材。特别是针孔的比例多时，从针孔部分开始，在镀金层等正下方的基材与镀金层等的界面发生腐蚀，多发生镀金层等的剥落，从而存在接触电阻上升、燃料电池的性能下降的可能。另外，存在由于镀金层等剥落，发生进一步腐蚀，由于从基材溶出的金属离子而使固体高分子电解质膜劣化的可能。针对这种情况，考虑加厚镀金层等来尽量减少针孔，但由于金等贵金属价格昂贵，而且电镀时间延长会导致生产率也下降，因此会产生间隔件的成本升高之类的问题。

另外，对专利文献2或专利文献3记载的间隔件而言，为了提高导电性，在除去钛制基材表面的氧化被膜后，在例如真空氛围或还原氛围等规定的条件下设置贵金属或导电性树脂等导电层，以使其不再形成氧化被膜。对这些技术而言，通过除去氧化被膜可以提高导电性，但另一方面，氢容易浸入基材，存在因长期浸入氢而发生基材脆化的可能。

在此，燃料电池用间隔件必须兼备高导电性和高耐腐蚀性，进而对用于甲醇极侧的间隔件而言，要求间隔件吸收因甲醇分解生成的氢而不发生机械性脆化(耐氢吸收性)。但是，纯钛材或钛合金材料作为材料的特性是吸收氢易于脆化，作为抑制其吸收氢的一般的方法，有在表面形成氧化钛层的方法，但由于氧化钛层为绝缘层，因此，根据该方法导电性会下降。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于，提供一种低成本且导电性、耐腐蚀性、耐氢吸收性优异的电极用钛材及用于制成该电极用钛材的电极用钛材的表面处理方法。

本发明人等为了解决上述课题而进行了潜心研究，结果发现，在规定的条件下对钛材表面进行处理的同时，将规定的合金进行成膜，由此，可以提高导电性、耐腐蚀性、耐氢吸收性，从而完成了本发明。