Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава, обладающий поверхностной электрической проводимостью, а также способы его изготовления, и сепаратор топливного элемента, топливный элемент с его использованием - RU2636651C1

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение представляет собой изобретение, относящееся к материалу на основе титана или к материалу на основе титанового сплава, поверхность которого обладает электрической проводимостью и превосходной устойчивостью к коррозии, и которые в особенности удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалам на основе титана или материалам на основе титанового сплава, используемым для изготовления обладающих низким сопротивлением в контакте сепараторов топливного элемента на основе полимерного электролита, используемых для автомобилей, работающих за счет электрической энергии в качестве источника привода, генерирующих электрическую энергию систем и т.д., то есть относящееся к материалу на основе титана или к материалу на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента, характеризующемуся превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и превосходной долговечностью, а также относящееся к способам его изготовления, а также относящееся к способам изготовления сепаратора топливного элемента и топливного элемента с использованием подобного. Ниже в рамках настоящего изобретения, приводится описание с использованием сепаратора топливного элемента в качестве примера.

Уровень техники, предшествующий изобретению

На сегодняшний день, развитие топливных элементов на основе полимерного электролита, таких как топливные элементы для автомобилей, быстро прогрессирует. Топливный элемент на основе полимерного электролита представляет собой топливный элемент, в котором используются водород и кислород, и пленка органического вещества, обладающая селективным по отношению к ионам водорода типом проницаемости (также прогрессирует развитие композиций с участием неорганического вещества), используемая в качестве электролита. В качестве водорода источника топлива используют газообразный водород, получаемый посредством риформинга спиртов и т.д., а также используют чистый водород.

Тем не менее, в составе конструкции существующих систем топливных элементов цена за единицу компонентов и отдельных частей высока, и значительное снижение расходов на компоненты и отдельные части имеет важное значение для их практического применения в потребительских товарах. В плане практического применения в автомобильной промышленности является желательным не только снижение стоимости, но также компактификация укладки, которая образует основу топливного элемента.

Топливный элемент на основе полимерного электролита имеет структуру, в которой сепараторы обжимают обе стороны блока, называемого сборкой мембранного электрода (в дальнейшем упоминаемого в качестве «СМЭ»), в которой интегрированы пленка полимерного электролита, электрод и газодиффузионный слой, и данная структура укладывается в несколько слоев с образованием укладки.

Необходимыми свойствами, которыми должен обладать сепаратор, являются наличие электрической проводимости, изоляционные свойства обоих электродов по отношению к газообразному кислороду и газообразному водороду, низкое сопротивление перехода в контакте с СМЭ, хорошая долговечность в составе среды топливного элемента и т.д. При этом, газодиффузионный слой (ГДС) в составе СМЭ, как правило, изготовляют из углеродной бумаги, в которой содержатся интегрированные углеродные волокна, и, следовательно, является желательным, чтобы сепаратор характеризовался хорошей электрической проводимостью в контакте с углеродом.

Нержавеющая сталь, материал на основе титана и т.д., используемые в качестве материала для изготовления сепараторов, как правило, характеризуются низкой электрической проводимостью в контакте с углеродом в том состоянии, у котором они присутствуют, и, как следствие, выдвинуто большое количество предложений, направленных на улучшение электрической проводимости в контакте с углеродом. Наличие пассивной пленки, характеризующейся низкой электрической проводимостью, является препятствием для повышения электрической проводимости в контакте с углеродом. Несмотря на то, что данная проблема может быть решена за счет пожертвования долговечностью, внутренняя часть топливного элемента становится агрессивной коррозионной средой, и, следовательно, для использования в составе сепаратора является необходимой очень высокая долговечность.

Таким образом, в реальности разработка удовлетворяющего требованиям материала на основе металла для использования в составе сепаратора является крайне затруднительной. До настоящего момента углеродный сепаратор является основным среди используемых, но в случае введения в практическое применение металлического сепаратора непосредственно топливный элемент может быть компактифицирован и при этом можно гарантировать, что во время производственного процесса в топливных элементах не происходит образования трещин; таким образом, металлизация сепаратора имеет важное значение для их массового производства и распространения.

На этом фоне, например, в Патентной Литературе 1 приводится описание технологии, в которой используется особая нержавеющая сталь, в которой соединение, обладающее электрической проводимостью, осаждают на стальном материале, с точки зрения придания тонкости, снижения веса и т.д., и, таким образом, становится возможным значительное снижение сопротивления перехода в контакте нержавеющей стали.

Также, исследуется возможность использования титана, который обладает хорошей долговечностью, для использования в составе сепаратора. Также, в случае титана, сопротивление перехода в контакте с СМЭ является высоким по причине наличия пассивной пленки на внешней поверхности титана, так же, как и в случае с нержавеющей сталью. Так, например, в Патентной Литературе 2 приводится описание технологии, в рамках которой включения на основе TiB диспергируют в титане в целях снижения сопротивления перехода в контакте с СМЭ.

В патентной литературе 3 приводится описание сплава титана для использования в составе сепаратора, изготовляемого из сплава титана, в составе которого содержится Та в количестве в интервале 0,5 - 15% масс., и количество содержащихся Fe и О ограничивают по мере необходимости, и в составе которого средняя концентрация азота в области, проходящей в глубину от внешней поверхности на 0,5 мкм, составляет 6 атомных % или более и нитрид тантала и нитрид титана присутствуют в данной области.

В Патентной Литературе 3 также приводится описание способа изготовления сплава титана для использования в составе сепаратора, в рамках которого осуществляют нагрев в температурном интервале 600-1000°С в течение 3-х секунд или более в атмосфере азота.

В Патентной Литературе 4, 5 и 6 приводится описание технологий, в рамках которых электрически проводящее вещество вдавливают в часть наружного слоя способом струйной обработки или способом роликовой обработки в процессе производства металлического сепаратора, изготовляемого из титана или нержавеющей стали. В рамках данной технологии, достигаются как электрическая проводимость в контакте с углеродом, так и долговечность за счет наличия поверхностной тонкой структуры, в которую электрически проводящее вещество помещают таким образом, что таковое пронизывает пассивную пленку на поверхности металла.

В Патентной Литературе 7 приводится описание способа изготовления сепаратора топливного элемента, в рамках которого примеси, включающие в себя карбид титана или нитрид титана, формирующиеся на поверхности титана, переводят в оксидную форму путем анодного окисления, и затем выполняют обработку плакированием. Карбид титана или нитрид титана, формирующиеся на поверхности титана, растворяют под действием окружающей коррозионной среды и подвергают повторному осаждению в виде оксида, который ингибирует электрическую проводимость в контакте и приводит к снижению электрической проводимости в контакте.

Указываемый выше способ подавляет окисление примесей в процессе производства электрической энергии (в процессе эксплуатации) и, таким образом, повышает долговечность. Тем не менее, дорогостоящая плакирующая пленка является незаменимой для целей обеспечения электрической проводимости и долговечности.

В Патентной Литературе 8 приводится описание технологии, в рамках которой сплав на основе титана, получаемый легированием элементом из группы 3 периодической таблицы, используют в качестве основного материала, порошок BN наносят на поверхность основного материала, и обработку нагреванием выполняют с образованием слоя оксидной пленки с образованием антикоррозийной электрически проводящей пленки.

Данная технология повышает электрическую проводимость посредством допирования примесного атома в положение атома титана в кристаллической решетке оксидной пленки, которая формирует пассивную пленку на титановом сплаве.

В Патентной Литературе 9 и 10 приводится описание технологий, в рамках которых сепаратор топливного элемента, изготовляемый из титана, подвергают прокатной обработке, используют углеродсодержащее масло для смазки поверхности валков для проведения прокатки в целях формирования измененного слоя, содержащего в своем составе карбид титана на наружном слое и в целях формирования на нем углеродной пленки с высокой плотностью пленки, а также характеризующейся электрической проводимостью и долговечностью.

В рамках этих технологий, не смотря на то, что повышается электрическая проводимость в контакте с углеродной бумагой, поддерживается долговечность за счет наличия углеродной пленки и, следовательно, является необходимым формирование плотной углеродной пленки. Поскольку сопротивление перехода в контакте довольно высоко на границе раздела фаз между углеродом и титаном, карбид титана, повышающий электрическую проводимость, помещают между ними. Тем не менее, в случае наличия дефектов в углеродной пленке, коррозия измененного слоя (содержащего в своем составе карбид титана) и основного материала не может быть предотвращена, и может быть получен продукт коррозии, который ингибирует электрическую проводимость в контакте.

В Патентной Литературе 11, 12, 13, 14, и 15 приводится описание титана и сепараторов топливных элементов, изготовляемых из титана, которые включают в себя в качестве основной структуры углеродный слой/промежуточный слой из карбида титана/материал на основе титана, структура которого схожа со структурой, описание которой приводится в Патентной Литературе 9. Не смотря на то, что производственная схема формирования вначале углеродного слоя, а затем формирования промежуточного слоя из карбида титана отличается от производственной схемы, описание которой приводится в Патентной Литературе 9, при этом механизм повышения долговечности за счет присутствия углеродного слоя является аналогичным.

В Патентной Литературе 16 приводится описание технологии, в рамках которой в целях массового производства на поверхность наносят графитовый порошок, и проводят прокатку и отжиг. Данной технологией достигается функционал стандартного углеродного сепаратора путем формирования углеродного слоя и промежуточного слоя из карбида титана на поверхности основного материала на основе титана, свободной от трещин.

Тем не менее, промежуточный слой, выполненный из карбида титана не обладает долговечностью; следовательно, если в углеродном слое присутствует дефект, коррозия промежуточного слоя, выполненного из карбида титана и основного материала не может быть предотвращена и существует проблема в том, что в структуре поверхности может иметь место образование продукта коррозии, который ингибирует электрическую проводимость в контакте.

Для данной реальной ситуации в Патентной Литературе 17 приводится описание технологии, в рамках которой карбид титана или нитрид титана в качестве электропроводного вещества помещают на поверхность титана и эти электрически проводящие вещества, а также титан покрывают оксидом титана, характеризующимся пассивирующим действием. Несмотря на то, что данная технология обеспечивает электрическую проводимость в контакте, а также повышает долговечность, что дополнительно удлиняет срок службы топливных элементов, является необходимым дальнейшее повышение устойчивости к деградации под действием окружающей среды слоя титановой оксидной пленки, которая покрывает электрически проводящее вещество.

Таким образом, заявителем в Патентной Литературе 18 предлагается титан или материал на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента, у которого повышается долговечность путем пассивации слоя титановой оксидной пленки, при которой выполняется ее погружение в водный раствор содержащей окисляющий агент в качестве основы, такой как азотная кислота или хромовая кислота, в котором частицы соединения титана, содержащего углерод или азот, которые представляют собой прецизионные электрически проводящие объекты, диспергируют в слое оксидной пленки на поверхности титана или на поверхности материала на основе титанового сплава, и, таким образом увеличивается электрическая проводимость в контакте с углеродом.

Настоящим заявителем предлагается в Патентной Литературе 19 использование карбида, нитрида, карбонитрида или борида тантала, титана, ванадия, циркония или хрома в качестве прецизионных электропроводящих объектов и выполнение стабилизационной обработки после проведения пассивирующей обработки в водных растворах.

При стабилизационной обработке используется водный раствор, содержащий в своем составе рисовую муку, пшеничную муку, картофельный крахмал, кукурузную муку, соевую муку, ингибитор точечной коррозии, или тому подобные агенты, которые представляют собой формируемые естественным путем вещества или синтезируемые искусственным путем вещества, содержащие в своем составе одно или более из соединений на основе амина, соединений на основе аминокарбоновых кислот, фосфолипидов, крахмала, ионов кальция и полиэтиленгликоля.

Приводится описание внутренней среды топливного элемента на основе полимерного электролита и условий оценки их моделирования.

В Патентной Литературе 20, 21, 22, 23 и 24 приводится описание того факта, что выделяется незначительное количество фтора и производится фтористоводородная среда при использовании электролита, выполненного из полимера на основе фтора, для получения электролитной пленки. Предполагается, что не наблюдается выделения фтора из электролитной пленки при использовании углеводородного полимера.

В Патентной Литературе 24 приводится описание того факта, что рН отработанной жидкости экспериментальным путем доводят до значения, составляющего приблизительно 3. В патентной Литературе 10 проводят потенциостатическое испытание на коррозионную устойчивость, в рамках которого прикладывают электрический потенциал величиной 1 В в водном растворе серной кислоты при значении рН 4 и температуре 50°С, а также в Патентной Литературе 11, 12, 13 и 14 проводят испытание по оценке долговечности, в рамках которого прикладывают электрический потенциал величиной 0,6 В в водном растворе серной кислоты при значении рН, составляющего приблизительно 2, и при температуре 80°С.

В Патентной Литературе 25 приводится описание рабочей температуры, составляющей в интервале 80-100°С. В Патентной Литературе 21 и 24, используют температуру 80°С как условие оценки. Исходя из вышеизложенного легко предположить, что условиями оценки для моделирования топливного элемента на основе полимерного электролита являются (1) водный раствор при значении рН, составляющего в интервале 2-4, в котором фтор растворяется в присутствии полимерного электролита в составе электролитной пленки, (2 ) температура, составляющая в интервале 50-100°С, и (3) изменение напряжения ячейки, составляющее в интервале 0-1 (напряжение составляет 0 до начала выработки электрической энергии).

С другой стороны, с точки зрения устойчивости титана к действию окружающей среды известно, что титан растворяется в водном растворе фтористого водорода (плавиковая кислота). В Непатентной Литературе 1 приводится описание того факта, что изменение цвета титана происходит в случае добавления фтора в количестве, составляющем приблизительно 2 части на миллион, или в количестве, составляющем приблизительно 20 частей на миллион, в водный раствор серной кислоты при значении рН 3.

В Патентной Литературе 26 приводится описание способа, в рамках которого титановый сплав, содержащий в своем составе один или несколько элементов из элементов в составе группы платины (Pd, Pt, Ir, Ru, Rh и Os), Au и Ag, погружают в неокисляющую кислоту с формированием на поверхности слоя, содержащего таковые в общем количестве, составляющем в интервале 40-100 атомных %. В Патентной Литературе 27 приводится описание материала на основе титана для использования в составе сепаратора, в котором титановый сплав, содержащий в своем составе в интервале 0,005-0,15% масс. одного или более элементов в составе платиновой группы и содержащий в своем составе в интервале 0,002-0,10% масс. одного или нескольких редкоземельных элементов, протравливают с использованием неокисляющей кислоты в целях концентрирования на поверхности одного или нескольких элементов в составе платиновой группы.

Явление изменения цвета, описание которого приводится в Патентной Литературе 25, представляет собой явление, при котором интерференционные цвета возникают в результате того факта, что титан растворяется и повторно осаждается в виде оксида на поверхности и растет слой оксидной пленки. Поскольку повторно осажденный оксид представляет собой вещество, которое ингибирует электрическую проводимость в контакте в соответствии с приводимым выше описанием, среда, из которой выделяется фтор в топливном элементе, является более агрессивной средой по отношению к титану; таким образом, является необходимым дальнейшее повышение долговечности, что не приводило бы к увеличению сопротивления в контакте.

Список Цитирования

Патентная Литература

Патентная Литература 1: JP 2000-328200A

Патентная Литература 2: JP 2004-273370A

Патентная Литература 3: JP 2007-131947A

Патентная Литература 4: JP 2007-005084A

Патентная Литература 5: JP 2006-140095A

Патентная Литература 6: JP 2007-234244A

Патентная Литература 7: JP 2010-097840A

Патентная Литература 8: JP 2010-129458A

Патентная Литература 9: JP 2010-248570A

Патентная Литература 10: JP 2010-248572A

Патентная Литература 11: JP 2012-028045A

Патентная Литература 12: JP 2012-028046A

Патентная Литература 13: JP 2012-043775A

Патентная Литература 14: JP 2012-043776A

Патентная Литература 15: JP 2012-028047A

Патентная Литература 16: JP 2011-077018A

Патентная Литература 17: WO 2010 / 038544

Патентная Литература 18: WO 2011 / 016465

Патентная Литература 19: Заявка на выдачу патента № 2013-557959

Патентная Литература 20: JP 2005-209399A

Патентная Литература 21: JP 2005-056776A

Патентная Литература 22: JP 2005-038823A

Патентная Литература 23: JP 2010-108673A

Патентная Литература 24: JP 2009-238560A

Патентная Литература 25: JP 2006-156288A

Патентная Литература 26: JP 2006-190643A

Патентная Литература 27: JP 2013-109891A

Непатентная Литература

Непатентная Литература 1: G. Lutjering и J. Albrecht: Ti-2003 Science and Technology, издательство Wiley-VCH Verlag GmbH & Co., Hamburg, 2004, сc. 3117 - 3124,

Сущность изобретения

Техническая проблема

Проблема, которая подлежит решению с помощью настоящего изобретения заключается в повышении электрической проводимости в контакте с углеродом (низкое сопротивление в контакте) и долговечности материала на основе титана или материала на основе титанового сплава, характеризующегося высокой электрической проводимостью в контакте с углеродом, и дальнейшее удлинение срока службы топливного элемента. Долговечность более конкретно (1) представляет собой коррозионную устойчивость по отношению к ионам F (по отношению ко фторид-ионам) и (2) долговечность по отношению к прилагаемому в кислой среде напряжению.

Решение Проблемы

Как правило, в качестве технологии по снижению сопротивления перехода в контакте между титаном, и титановым сплавом, и углеродом основной является технология, в рамках которой поверхность титана и сплава титана покрывают углеродным (электрически проводящее вещество) слоем, технология, в рамках которой карбид, нитрид, карбонитрид и/или борид титана, тантала или т.п. подвергают тонкому диспергированию в слое оксидной пленки на поверхности, или основной является технология, в рамках которой элемент в составе платиновой группы, Au, или Ag концентрируют на поверхности.

Тем не менее, авторами настоящего изобретения проведены обширные исследования по методу решения проблемы, упоминаемой выше, независимо от стандартных технологий. Таким образом, выявлено, что структура поверхности материала на основе титана или материала на основе титанового сплава существенно влияет на их электрическую проводимость в контакте с углеродом и их долговечность.

В результате дальнейших обширных исследований, проводимых авторами настоящего изобретения, авторами настоящего изобретения обнаружено, что, в основном, в отличие от традиционных технологий, в которых используется углеродный слой (электрически проводящее вещество), карбид, нитрид, карбонитрид и/или борид, уже упоминаемые выше, или элементы в составе платиновой группы, Au или Ag, упоминаемая выше проблема может быть решена путем распределения указываемого TiO на наружном слое и образования слоя титановой оксидной пленки на внешней поверхности. Конкретный способ производства реализуют с использованием промежуточного материала, в составе которого гидрид титана в указываемой форме формируется на поверхности титана и сплава титана, и путем проведения обработки нагреванием промежуточного материала в окислительной атмосфере. Авторами настоящего изобретения также обнаружено, что эффект настоящего изобретения проявляется независимо от того, содержится ли на поверхности элемент в составе платиновой группы, Au, или Ag или нет.

Настоящее изобретение разработано на основании выше приводимых открытий, и его краткое изложение является следующим.

Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава, в котором

в составе оксидной пленки, сформированной на поверхности титана или сплава титана, композиционное отношение для TiO (I_TiO/(I_Ti+I_TiO))×100, определяемое из максимумов интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для TiO (I_TiO) и максимумов интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для металлического титана (I_Ti) в рентгеновской дифракции, измеряемой при величине угла падения излучения к поверхности, составляющей 0,3°, составляет 0,5% или более;

Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава в соответствии с [1], в котором дифракционный пик TiO обнаруживается на поверхности при рентгеновской дифракции, измеряемой при величине угла падения излучения, составляющей 0,3°, и при условии нахождения максимума интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции титанового гидрида на уровне фона;

Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава в соответствии с [1] или [2], в котором каждое из количественного увеличения величины сопротивления перехода в контакте с прежнего уровня до уровня после проведения испытания 1 на деградацию и испытания 2 на деградацию ниже составляет 10 мОм*см²или меньше;

испытание 1 на деградацию: погружение в водный раствор серной кислоты в течение 4 дней при температуре 80°С с доведением уровня рН до значения 3 и при концентрации фторид-ионов, составляющей 20 частей на миллион;

испытание 2 на деградацию: приложение электрического потенциала, составляющего 1,0 В (в сравнении со стандартным водородным электродом) в течение 24 ч в растворе серной кислоты при температуре 80°С и при уровне рН 3.

Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава в соответствии с любым из [1] - [3], в котором толщина оксидной пленки составляет в интервале 3-15 нм.

Способ производства материала на основе титана или материала на основе титанового сплава, в котором

промежуточный материал на основе титана или промежуточный материал на основе титанового сплава, в котором композиционное отношение для титанового гидрида I_Ti-H/(I_Ti+I_T-H)) на поверхности определяют из максимума интенсивности пиков для металлического титана (I_Ti) и максимума интенсивности пиков для гидрида титана (I_Ti-H) на картине рентгеновской дифракции, измеряемой при величине угла падения излучения к поверхности, составляющей 0,3°, составляет 55% или более, подвергают обработке нагреванием при температуре не менее 260°С и менее 350°С в окислительной атмосфере для образования оксидной пленки.

Сепаратор топливного элемента, включающий в себя материал на основе титана или материал на основе титанового сплава в соответствии с любым из [1]-[4].

Топливный элемент на основе полимерного электролита, включающий в себя сепаратор топливного элемента в соответствии с [6].

Преимущественные Эффекты Изобретения

В соответствии с настоящим изобретением, становится возможным производить материал на основе титана или материал на основе титанового сплава, характеризующийся превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и превосходной долговечностью, а также производить сепаратор топливного элемента, характеризующийся превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и превосходной долговечностью. В случае использования сепаратора топливного элемента, срок службы топливного элемента может быть в значительной степени пролонгирован.

Краткое описание чертежей

[Фигура 1] На Фигуре 1 представлена диаграмма, показывающая картины рентгеновской дифракции (РСА) поверхности промежуточного материала (промежуточный материал на основе титана или промежуточный материал на основе титанового сплава). Картина (a) представляет собой РСА поверхности стандартного промежуточного материала (поверхность после стандартного травления с помощью нитрогидрофторной кислоты), картина (b) представляет собой РСА поверхности сравнительного промежуточного материала, который подвергнут обработке гидрированием, и картина (c) представляет собой РСА поверхности промежуточного материала в соответствии с настоящим изобретением, который подвергнут обработке гидрированием.

[Фигура 2] На Фигуре 2 представлена диаграмма, показывающая взаимосвязь между значением индекса [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 (Формула (1)), определяемым по результатам дифракции рентгеновских лучей, измеряемой на поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава, и сопротивлением перехода в контакте с углеродной бумагой после проведения испытания на деградацию после того, как промежуточный материал подвергают обработке нагреванием на воздухе (в окислительной атмосфере), а также взаимосвязь между количественным повышением сопротивления перехода в контакте от уровня до проведения и до уровня после проведения испытания на деградацию. Оба испытания на деградацию 1 и 2, описываемые выше, продемонстрированы на Фигуре.

[Фигура 3] На Фигуре 3 представлена диаграмма, показывающая картины рентгеновской дифракции (РСА) поверхности материала на основе титана или материала на основе титанового сплава. Картины (a) и (b) представляют собой картины РСА поверхности материала в соответствии с настоящим изобретением, который подвергают обработке нагреванием на воздухе, который представляет собой окислительную атмосферу, после проведения обработки гидрированием, и (с) представляет собой картину РСА поверхности промежуточного материала в соответствии с настоящим изобретением в состоянии, в котором обработка гидрированием выполняют перед проведением обработки нагревом.

[Фигура 4] На Фигуре 4 представлена диаграмма, показывающая результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) (фотоэлектронные 2р-спектры Ti) поверхностей двух материалов на основе титана или материала на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением. На спектре (a) показаны результаты спектроскопии РФЭС поверхности одного материала на основе титана или материала на основе титанового сплава, и на спектре (b) показаны результаты спектроскопии РФЭС поверхности другого материала на основе титана или материала на основе титанового сплава.

[Фигура 5] На Фигуре 5 представлена диаграмма, отображающая изображение, полученное методом трансмиссионной электронной микроскопии, поперечного сечения участка непосредственно под поверхностью материала на основе титана или под поверхностью материала на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением.

Описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением характеризуется особенностью слоя оксидной пленки, образованной на поверхности титана или сплава титана; в составе оксидной пленки композиционное отношение TiO (I_TiO/(I_Ti+I_TiO)), определяемое на основании максимума интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для TiO (I_TiO) и на основании максимума интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для металлического титана (I_Ti), составляет 0,5% или более. По причине такого композиционного отношения слой оксидной пленки позволяет формировать пленку, характеризующуюся стабильной электрической проводимостью.

В качестве примера конкретного способа изготовления материала на основе титана или материала на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением, титан или материал на основе титанового сплава, характеризующийся поверхностной структурой, в которой композиционное отношение для гидрида титана (I_Ti-H/(I_Ti+I_T-H)) на поверхности соответствует Формуле (1), приводимой ниже, используются в качестве промежуточного материала на основе титана или в качестве промежуточного материала на основе титанового сплава до формирования слоя оксидной пленки (в дальнейшем иногда упоминаемого в качестве просто «промежуточного материала»).

[I_Ti-H/(I_Ti + I_Ti-H)]×100≥55% (1)

I_Ti-H: представляет собой максимум интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для гидрида титана (TiH, TiH_{1. 5}, TiH₂ или тому подобных)

I_Ti: представляет собой максимум интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для металлического Ti.

Соотношение I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H) представляет собой индекс, который указывает на композиционное отношение между металлическим титаном и гидридом титана на поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава, и при этом большее значение индекса относится к конфигурации фазы, содержащей в своем составе большее количество гидрида титана. Следовательно, он ограничивается содержанием 55% или более в формуле (1), приводимой выше. Значение индекса, предпочтительно, составляет 60% или более. При изготовления материала на основе титана или материала на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением с использованием промежуточного материала на основе титана или промежуточного материал на основе титанового сплава, в котором композиционное отношение для гидрида [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 на поверхности составляет 60% или более, каждое из значений количественного увеличения сопротивления перехода в контакте от уровня до проведения и до уровня после проведения испытания 1 на деградацию и проведения испытания 2 на деградацию, описываемое ниже, составляет 4 мОм*см²или меньше.

В контексте настоящего изобретения, дифракции рентгеновских лучей является методом, в основу которого положено использование падение рентгеновского излучения под наклоном, при котором угол падения рентгеновского излучения, фиксируется на малых углах, например, на уровне 0,3° по отношению к поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава, и представляет собой метод измерения, который идентифицирует структуру непосредственно под поверхностью.

Способ формирования гидрида титана на внешнем слое промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава (здесь и в дальнейшем иногда упоминаемого в качестве «обработки с формированием гидридов») не обладает особыми ограничениями; например, приводятся (х) способ, в котором титан или материал на основе титанового сплава погружают в соляную кислоту или серную кислоту, которая представляет собой неокислительную кислоту, (у) способ, в котором титан или материал на основе титанового сплава подвергают действию катодного электролиза, и (z) способ, в котором титан или материал на основе титанового сплава подвергают обработке нагреванием в содержащей водород атмосфере. Указываемый гидрид титана может быть сформирован на внешнем слое титана или сплава титана в соответствии с любым из данных способов.

Далее, в случае материала на основе титана или материала на основе титанового сплава в соответствии с настоящим изобретением (далее иногда упоминаемого в качестве «материала в соответствии с настоящим изобретением»), является предпочтительным для целей определения дифракционного пика TiO при рентгеновской дифракции, измеряемой при величине угла падения, составляющей 0,3°, получаемой поверхности, а также для целей нахождения дифракции гидрида титана на уровне фона, когда промежуточный материал, содержащий в своем составе указываемый гидрид титана в наружном слое, подвергают обработке нагреванием в окислительной атмосфере.

За счет проведения обработке нагреванием упоминаемого выше промежуточного материала в окислительной атмосфере гидрид титана окисляется с образованием TiO (оксидная пленка), и композиционное отношение для TiO (I_TiO/(I_Ti+I_TiO)) на поверхности удовлетворяет Формуле (2) ниже.

[I_TiO/(I_Ti+I_TiO)]×100≥0,5% (2)

I_Ti-H: представляет собой максимум интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для TiO

I_Ti: представляет собой максимум интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для металлического Ti

Соотношение [I_TiO/(I_Ti+I_TiO)] представляет собой индекс, который указывает на композиционное отношение между металлическим титаном и TiO на поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава, а также указывает на то, что большее значение индекса обозначает конфигурацию, содержащую в своем составе большее количество TiO. Следовательно, он ограничивается величиной 0,5% или более в Формуле (2), приводимой выше. Его значение, предпочтительно, составляет 2% или более.

В контексте настоящего изобретения, дифракция рентгеновского излучения осуществляется падением излучения под наклоном, при котором угол падения рентгеновского излучения, фиксируется на малых углах, например, на уровне 0,3° по отношению к поверхности материала на основе титана или материала на основе титанового сплава. С использованием падения излучения под наклоном может быть идентифицирована структура непосредственно под поверхностью.

В случае проведения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии поверхности материала на основе титана или материала на основе титанового сплава обнаруживается пик в 2р-спектре для Ti в положении энергии связывания TiO₂, который представляет собой оксид титана, то есть приблизительно при 459,2 эВ может быть подтверждено образование титановой оксидной пленки на внешней поверхности. Толщина титановой оксидной пленки, предпочтительно, составляет в интервале 3-15 нм, а толщина титановой оксидной пленки может быть измерена, например, с помощью наблюдения поперечного сечения участка непосредственно под поверхностью с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

В качестве примера способа изготовления материала в соответствии с настоящим изобретением (здесь и в дальнейшем иногда упоминаемого в качестве «способа изготовления материала в соответствии с настоящим изобретением»), (i) промежуточный материал, содержащий в составе его поверхности гидрид титана, подвергают (ii) обработке нагреванием в окислительная атмосфере.

Температура (ii) проведения обработки нагреванием в окислительной атмосфере, предпочтительно, составляет не менее 260°С и ниже 350°С. Воздух представляется наиболее удобным для применения в качестве окислительной атмосферы.

Промежуточный материал или материал в соответствии с настоящим изобретением изготовляют таким образом, что в составе слоя титановой оксидной пленки на внешней поверхности и непосредственно под ним количественное содержание карбидов, нитридов, карбонитридов и/или боридов титана уменьшается в пределах практической доступности и простоты использования в составе сепаратора, а также практической доступности с точки зрения затрат.

В случае присутствия в составе основного титанового материала, по меньшей мере, одного из атомов С, N и B в виде неизбежных элементарных примесей, карбида нитрид, карбонитрид и/или борид титана могут формироваться в процессе обработке нагреванием. В целях подавления образования карбидов, нитридов, карбонитридов и боридов титана, насколько это является возможным, общее количественное содержание С, N и В, в составе основного титанового материала, предпочтительно, устанавливают на уровне, равном 0,1% масс. или менее. Более предпочтительно, оно составляет 0,05% масс. или менее.

В случае материала в соответствии с настоящим изобретением, является предпочтительным, чтобы количественное содержание в составе титановой оксидной пленки соединений титана, по меньшей мере, одного из атомов С, N и B было снижено в пределах практической доступности и простоты использования, а также практической доступности с точки зрения затрат. Эффект в соответствии с настоящим изобретением проявляется, когда содержание атома С составляет на уровне 10 атомных % или менее, содержание атома N составляет на уровне 1 атомного % или менее, и содержание атома В составляет на уровне 1 атомного % или менее по результатам поверхностного анализа с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), после того, как поверхность подвергают напылению на 5 нм с использованием аргона.

В контексте настоящего изобретения глубина напыления с использованием аргона представляет собой значение, преобразуемое из скорости распыления при условии, что распыление выполняют на SiO₂. Поскольку пик обнаруживается в 2p-спектре Ti в положении энергии связи TiO₂также в случае поверхности после проведения на ней напыления на приблизительно 5 нм, который представляет собой оксид титана, то есть обнаруживается в положении приблизительно 459,2 эВ, то данный результат является результатом анализа внешней титановой оксидной пленки.

Для анализа данных, используют аналитическое программное обеспечение MutiPak V. 8. 0 производства компании Ulvac-PHI, Incorporated.

Известно, что сопротивление перехода в контакте поверхности является относительно небольшой величиной в состоянии, при котором компоненты масла остаются после проведения холодной прокатки или в состоянии, при котором карбид, нитрид и/или карбонитрид титана, которые представляют собой электрически проводящие вещества, распределяются по поверхности по причине нагрева в атмосфере газообразного азота. Тем не менее, в текущем состоянии, во время воздействия фактически используемой кислой коррозионной среды данные соединения титана растворяются и повторно осаждаются в форме оксида, который ингибирует электрическую проводимость в контакте, а также приводит к снижению электрической проводимости в контакте.

Сепаратор топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением (здесь и впоследствии иногда упоминаемый в качестве «сепаратора в соответствии с настоящим изобретением») формируется из материала в соответствии с настоящим изобретением.

Топливный элемент на основе полимерного электролита в соответствии с настоящим изобретением (здесь и впоследствии иногда упоминаемый в качестве «батареи в соответствии с настоящим изобретением ») включает в себя сепаратор в соответствии с настоящим изобретением.

Настоящее изобретение с данного момента будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи.

Промежуточный материал может быть получен путем формирования гидрида титана вблизи поверхности титанового основного материала путем проведения обработки с формированием гидридов.

На Фигуре 1 показаны картины рентгеновской дифракции (РСА) поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава. На Фигуре 1 (а) показана картина рентгеновской дифракции поверхности на картине рентгеновской дифракции стандартного промежуточного материала (поверхность после проведения общего травления с помощью нитрофторводородной кислоты); на Фигуре 1 (b), показана картина рентгеновской дифракции поверхности сравнительного промежуточного материала, который подвергнут обработке гидрированием; и на Фигуре 1 (с) показана картина рентгеновской дифракции поверхности промежуточного материала в соответствии с настоящим изобретением, который подвергнут обработке водородом.

В случае дифракционных пиков на рентгенограмме стандартного промежуточного материала (а) обнаруживаются только дифракционные пики металлического титана (круговые отметки на чертеже); с другой стороны, в случае сравнительного промежуточного материала (b) и промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением (с), которые подвергнуты обработке гидрированием, сильные дифракционные пики титанового гидрида (отметки в виде перевернутых треугольников на чертеже) могут детектироваться.

При сравнении максимальных интенсивностей дифракционных пиков, установлено, что количественное отношение гидрида титана к металлическому титану в составе промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением (c) больше, чем в случае сравнительного промежуточного материала (b).

В случае сравнительного промежуточного материала (b), значение индекса [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 составляет 51%; с другой стороны, в случае промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением (с) значение индекса составляет 79% и соответствует Формуле (1), приводимой выше. Промежуточный материал, соответствующий Формуле (1), приводимой выше, может поминаться в качестве «промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением».

Гидриды титана в составе сравнительного промежуточного материала (b) и в составе промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением (с) определяются как TiH_1.5 исходя из положения дифракционных пиков. Распределение по концентрации элемента в направлении вглубь от поверхности измеряют с помощью оптической эмиссионной спектрометрии тлеющего разряда, а также обнаружено, что водород концентрируется в части внешнего слоя.

В контексте настоящего изобретения приводится описание способа проведения измерения дифракции рентгеновских лучей и способ установления положения дифракционных пиков.

Картины рентгеновской дифракции регистрируют с помощью падения излучения под наклоном, при котором угол падения рентгеновского излучения, фиксируется на уровне 0,3° по отношению к поверхности титана или материала на основе титанового сплава, а также идентифицируют их дифракционные пики.

С помощью прибора модели SmartLab, представляющего собой аппарат рентгеновской дифракции, производства компании Rigaku Corporation, используют полосу Co-Kα (длина волны: λ=1,7902 ангстрем) в качестве целевой при величине угла падения 0,3°, и многослойную зеркальную пленку W/Si (располагающуюся со стороны падения) используют в качестве способа удаления полосы Kβ. Полезная выходная мощность источника рентгеновского излучения (напряжение в трубке/величина тока в трубке) составляет 9,0 кВт (45 кВ/200 мА).

Используемым прикладным аналитическим программным обеспечением является X'pert HighScore PluS производства компании Spectris Co., Ltd. Записываемая картина рентгеновской дифракции может быть сопоставлена с базой данных, в которой в качестве ссылочного материала используются такие гидриды титана, как образцы с номерами по базе ICDD Card No. 01-078-2216, Card No. 98 -002-1097, Card No. 01-072-6452, или Card No. 98-006-9970; таким образом могут быть идентифицированы дифракционные пики.

Глубина проникания рентгеновского излучения при условиях проведения измерения, упоминаемых выше, составляет приблизительно 0,2 мкм в случае металлического титана и составляет приблизительно 0,3 мкм в случае гидрида титана, и, следовательно, картина рентгеновской дифракции представляет собой картину рентгеновской дифракции, которая отражает структуру, распространяющуюся в интервале приблизительно на 0,2 - 0,3 мкм вглубь от поверхности.

Более того, в случае стандартного материала, когда слой титановой оксидной пленки подвергают указываемой пассивации и стабилизационной обработке, долговечность по отношению к простой кислой среде растет, но имеются случаи, когда не может поддерживаться долговечность по отношению к коррозионной среде, в которой содержится фтор, или долговечность по отношению к другим условиям эксплуатации, в которых прикладывают электрический потенциал.

В случае стандартного материала, когда концентрация ионов фтора в испытательной среде составляет 20 частей на миллион или более, сопротивление перехода в контакте с углеродной бумагой увеличивается до значения приблизительно 100 мОм*см²или более, и далее увеличивается до значения приблизительно 1000 мОм*см², а количественное повышение сопротивления перехода в контакте составляет 90 мОм*см²или более. В случае материала в соответствии c настоящим изобретением сопротивление перехода в контакте составляет лишь в интервале 10-20 мОм*см² или менее, даже если концентрация ионов фтора составляет в интервале 20 - 30 частей на миллион, и количественное повышение сопротивления перехода в контакте может быть снижено, в лучшем случае, до значения 10 мОм*см² или менее, в предпочтительном случае, снижено до значения 4 мОм*см² или менее, и проявляется высокая устойчивость к действию фтора.

Таким образом, в случае материала в соответствии c настоящим изобретением в ходе проведения испытания 1 на деградацию, при котором выполняют погружение в течение 4-х дней в водный раствор серной кислоты при 80°С, доведенный до уровня рН 3 и характеризующийся концентрацией фторид-ионов, составляющей 20 частей на миллион, количественное повышение сопротивления перехода в контакте с углеродной бумагой после проведения испытания на деградацию составляет 10 мОм*см² или менее при величине поверхностного давления, составляющей 10 кгс/см^2, Повышение, предпочтительно, составляет 4 мОм*см² или менее. Для справки, в случае материала в соответствии c настоящим изобретением, величина сопротивления перехода в контакте после проведения испытания 1 на деградацию составляет 20 мОм*см² или менее, предпочтительно, составляет 10 мОм*см² или менее. С другой стороны, в случае стандартного материала, величина сопротивления перехода в контакте составляет приблизительно 100 мОм*см² или более, и количественное повышение сопротивления перехода в контакте составляет приблизительно 90 мОм*см² или более, при этом таковые значения являются довольно высокими.

В ходе проведения испытания 2 на деградацию, в котором прикладывается электрический потенциал величиной 1,0 В (в сравнении со стандартным водородным электродом) в течение 24 часов в водном растворе серной кислоты при 80°С и уровне рН 3, количественное повышение сопротивления перехода в контакте с углеродной бумагой после проведения испытания на деградацию составляет 10 мОм*см² или менее при величине поверхностного давления, составляющей 10 кгс/см², количественное повышение, предпочтительно, составляет 4 мОм*см² или менее. Для справки, в случае материала в соответствии c настоящим изобретением, величина сопротивления перехода в контакте после проведения испытания 2 на деградацию составляет лишь 20 мОм*см² или менее, предпочтительно, составляет 10 мОм*см² или менее, и высокая толерантность может поддерживаться даже в случае приложения электрического потенциала. С другой стороны, в случае стандартного материала, величина сопротивления перехода в контакте составляет приблизительно 30 мОм*см², и количественное повышение сопротивления перехода в контакте достигает величины приблизительно 20 мОм*см²_.

С помощью каждого из испытания 1 на деградацию и испытания 2 на деградацию может быть измерена толерантность (степень устойчивости) к действию фтора и прикладываемого напряжения с помощью оценки количественного повышения сопротивления перехода в контакте. В качестве испытательного временного отрезка, в течение которого может быть определено значительное изменение, выбирают, соответственно, 4 дня и 24 часа. В общем случае, наблюдается тенденция к практически линейному повышению величины сопротивления перехода в контакте с ходом времени испытания, и при достижении значения приблизительно 30 мОм*см²или более, наблюдается быстрое дальнейшее повышение сопротивления. Термин (в сравнении со стандартным водородным электродом) представляет собой значение, измеренное по отношению к стандартному водородному электроду (СВЭ).

С учетом того факта, что сопротивление перехода в контакте изменяют в зависимости от типа используемой углеродной бумаги, сопротивление перехода в контакте измеряют с использованием материала марки TGP-H-120 производства компании Toray Industries, Inc., принимаемого в качестве стандарта в ускоренном испытании на деградацию в соответствии с настоящим изобретением.

Авторами настоящего изобретения предложена идея, что проявление стабильности сопротивления перехода в контакте материала в соответствии с настоящим изобретением на более низком уровне, по сравнению с контактным сопротивлением стандартного уровня техники, обусловлено наличием гидрида титана, формирующегося на внешнем слое промежуточного материала перед проведением обработке нагреванием в окислительной атмосфере. С акцентом на дифракционные пики гидрида титана на поверхности промежуточного материала, показанные на Фигуре 1, авторами настоящего изобретения проведены обширные исследования корреляции между интенсивностью дифракции для металлического титана (Ti) и интенсивностью дифракции для гидрида титана (Ti-H).

Результаты показаны на Фигуре 2, Величину соотношения [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 промежуточного материала по горизонтальной оси определяют по результатам идентификации дифракционных пиков в картинах рентгеновской дифракции, измеряемой с помощью падения излучения под наклоном, в котором угол падения рентгеновского излучения фиксируют на уровне 0,3° по отношению к поверхности материала на основе титана или к поверхности материала на основе титанового сплава.

Горизонтальная ось отражает величину индекса соотношения компонентов в составе композиции между металлическим титаном и гидридом титана на поверхности промежуточного материала на основе титана или промежуточного материала на основе титанового сплава (до проведения обработки нагреванием в окислительной атмосфере), и на количественном уровне указывает на то, что большее значение индекса соответствует конфигурации фазы, содержащей в своем составе большее количество гидрида титана. Вертикальная ось отражает величину сопротивления перехода в контакте, измеряемую путем проведения испытания на деградацию после того, как промежуточный материал подвергают обработке нагреванием на воздухе, который представляет собой окислительную атмосферу, и количественное повышение увеличения контактного сопротивления.

Материал, который подвергают обработке нагреванием, подвергают испытанию 1 на деградацию, описываемому выше (погружение в течение 4-х дней в водный раствор серной кислоты при 80°С, доведенный до значения рН 3 и характеризующийся концентрацией фторид-ионов, составляющей 20 частей на миллион) и испытанию 2 на деградацию, описываемому выше (приложение электрического потенциала величиной 1,0 В (в сравнении со стандартным водородным электродом) в течение 24 ч в растворе серной кислоты при 80°С и значении рН 3). Как видно на Фигуре 2, величина сопротивления перехода в контакте после проведения каждого из испытания 1 на деградацию и испытания 2 на деградацию и количественное повышение величины сопротивления перехода в контакте являются довольно низкими, когда величина соотношения [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 для промежуточного материал составляет 55% или более; также обнаружено, что в случае промежуточного материала присутствует корреляция в Формуле (1) между интенсивностью рентгеновской дифракции для металлического титана (Ti) и интенсивностью рентгеновской дифракции для гидрида титана (Ti-H).

Таким образом, в случае промежуточного материала, значение индекса [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100 установлено на уровне 55% или более, предпочтительно, установлено на уровне 60% или более, где сопротивление перехода в контакте после проведения испытания на деградацию и количественное повышение величины сопротивления перехода в контакте являются стабильными на низком уровне, как показано на Фигуре 2. Их верхний предел составляет 100% или менее, как само собой разумеющееся. Не смотря на то, что охрупчивание вследствие образования гидрида титана является проблемой, сопротивление перехода в контакте материала в соответствии с настоящим изобретением достигается также при проведении обработки обратным загибом и затем при проведении обработки нагреванием промежуточного материала, характеризующегося значением индекса [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100, составляющим 85%, который подвергнут обработке с формироавнием гидридов с помощью соляной кислоты.

В контексте настоящего изобретения, на Фигуре 3 показаны картины рентгеновской дифракции (РСА) поверхности материала на основе титана или поверхности материала на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента (материал в соответствии с настоящим изобретением). На Фигурах. 3(а) и 3(b) показаны картины рентгеновской дифракции поверхности материала в соответствии с настоящим изобретением, который подвергнут обработке нагреванием на воздухе, который представляет собой окислительную атмосферу, после проведения обработки гидрированием; и на Фигуре 3(с) показана картина рентгеновской дифракции поверхности промежуточного материала в соответствии с настоящим изобретением в состоянии, при котором выполнена обработка гидрированием перед проведением обработки нагреванием.

После проведения обработки нагреванием в окислительной атмосфере промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением, в случае материала в соответствии с настоящим изобретением, как показано на Фигуре 3, дифракционные пики гидрида титана, присутствующего в составе промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением (с) (отметки на чертеже в виде перевернутых треугольников) исчезают и на их месте появляются дифракционные пики TiO (квадратные отметки на чертеже).

После проведения обработки нагреванием в окислительной атмосфере промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением, характеризующегося величиной соотношения [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)] × 100, составляющей 55% или более, для изготовления TiO композиционное отношение[I_TiO/(I_Ti+I_TiO)]×100 составляет 0,5% или более. Если соотношении компонентов [I_TiO/(I_Ti+I_TiO)]×100 составляет 2% или более, достигается более низкое сопротивление перехода в контакте, и следовательно, количественное повышение снижается до более низкого уровня.

С другой стороны, в случае промежуточного материала, характеризующегося величиной соотношения [I_Ti-H/(I_Ti+I_Ti-H)]×100, составляющей менее, чем 55%, соотношении компонентов [I_TiO/(I_Ti+I_TiO)]×100 после обработки нагреванием составляет менее 0,5%; и, как показано на Фигуре 2, сопротивление перехода в контакте после проведения испытания на деградацию составляет более 20 мОм*см²и количественное повышение сопротивления перехода в контакте составляет более 10 мОм*см²_.

Аналогичным образом, в отношении рентгеновской дифракции гидрида титана, описываемой выше, картину рентгеновской дифракции регистрируют с помощью падения излучения под наклоном, при котором угол падения рентгеновского излучения фиксируют на уровне 0,3° по отношению к поверхности титана или к поверхности материала на основе титанового сплава, и таким образом идентифицируют дифракционные пики. Регистрируемые картины рентгеновской дифракции могут быть сопоставлены с базой данных, в которой используют TiO, соответствующий номерам по базе ICDD Card No. 01-072-4593 или Card No. 01-086-2352 в качестве справочного материала; таким образом могут быть идентифицированы дифракционные пики.

Глубина проникновения рентгеновского излучения при упоминаемых выше условиях измерения составляет приблизительно 0,2 мкм для металлического титана и составляет приблизительно в интервале 0,2-0,3 мкм для оксида титана, и, следовательно, картина рентгеновской дифракции представляет собой картину рентгеновской дифракции, на которой отражена структура, проходящая вглубь от поверхности приблизительно на 0,2-0,3 мкм.

Фигура 4 представляет собой диаграмму, показывающую результаты рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) (2р-фотоэлектронные спектры Ti) поверхностей двух материалов на основе титана или поверхности материала на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента в соответствии с настоящим изобретением. На Фигуре 4(а) показаны результаты измерений методом РФЭС поверхности одного материала на основе титана или материала на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента; и на Фигуре 4(b) показаны результаты измерений методом РФЭС поверхности другого материала на основе титана или поверхности материала на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента. На Фигуре 5 показано изображение трансмиссионного электронного микроскопа поперечного сечения непосредственно под поверхностью материала в соответствии с настоящим изобретением.

Несмотря на то, что на Фигуре 3 не просматривается дифракционного пика TiO₂ (анатазная или рутильная форма), на картине рентгеновской дифракции материала в соответствии с настоящим изобретением, как показано на Фигуре 4, обнаруживается довольно сильный пик внешней поверхности в положении энергии связывания TiO₂, который представляет собой оксид титана, то есть приблизительно на уровне 459,2 эВ; таким образом, установлен факт, что титановоя оксидная пленка, состоящая в основном из TiO₂, образуется на внешней поверхности.

Как показано на Фигуре 5, участок 2 на светлой (беловатой) пленке, образующийся в верхней части Ti 1, представляет собой титановую оксидную пленку. Атомы Ti и O обнаруживаются на участке 2 с помощью метода спектрометрии дисперсии энергии (СДЭ), и, следовательно, слой титановой оксидной пленки формируется на участке 2.

Таким образом, когда промежуточный материал, в составе которого гидрид титана, соответствующий приводимой выше Формуле (1), формируется на наружном слое, подвергаемом обработке нагреванием в окислительной атмосфере, в случае материала в соответствии с настоящим изобретением, поверхностная структура, в составе которой TiO, соответствующий приводимой выше Формуле (2), распределяется по поверхности и наружная поверхность образуется из слоя титановой оксидной пленки, а также достигается значительная электрическая проводимость и высокая устойчивость к действию фтора. С другой стороны, в том случае, когда атмосфера проведения обработки нагреванием представляет собой вакуумную атмосферу, атмосферу инертного газа, или восстановительную атмосферу, которые не являются окислительной атмосферой, даже при добавлении элементов платиновой группы, Au или Ag поверхностная структура, в которой распределяется TiO, а также наружная поверхность, образуемая из слоя титановой оксидной пленки в соответствии с настоящим изобретением, не формируется, и данный эффект также не проявляется.

Предполагается, что в составе материала в соответствии с настоящим изобретением, образуется структура, в которой TiO, характеризующийся более высокой электрической проводимостью, чем TiO₂, существует в слое титановой оксидной пленки на внешней поверхности, и таким образом, достигается значительный эффект.

Гидрид титана, формирующийся на внешнем слое промежуточного материала, в результате чего получают материал в соответствии с настоящим изобретением, играет важную роль. Действие гидрида титана, как предполагают, связано с механизмом, описываемым ниже.

Несмотря на то, что гидрид титана, присутствующий на внешнем слое промежуточного материала, окисляется под действием кислорода окружающей атмосферы во время обработке нагреванием в окислительной атмосфере, предполагается, что гидрид титана характеризуется действием подавления развивающегося окисления с помощью водорода, который он содержит и стабильного образования формы TiO до достижения образования TiO₂, который характеризуется малой электрической проводимостью.

Поскольку не обнаруживается рентгеновского дифракционного пика, отвечающего гидриду титана, после проведения обработки нагреванием, предполагается, что водород из гидрида титана в конечном итоге диффундирует в материал на основе титана или реагирует с кислородом, выходя таким образом и диффундируя наружу, и, следовательно, концентрация водорода в части внешнего слоя в значительной степени снижается.

В целях получения значительного эффекта материала в соответствии с настоящим изобретением путем такого механизма, является необходимым, чтобы как показано на Фигуре 2, во внешнем слое промежуточного материала присутствовало указанное количество или более гидрида титана (перед проведением обработки нагреванием в окислительной атмосфере).

В составе материала в соответствии с настоящим изобретением, получаемого путем проведения обработки нагреванием в окислительной атмосфере промежуточного материала в соответствии c настоящим изобретением, слой титановой оксидной пленки формируется на внешней поверхности, как показано на Фигуре 4 и Фигуре 5. Толщина слоя титановой оксидной пленки, предпочтительно, составляет в интервале 3-15 нм, с точки зрения подавления начального сопротивления перехода в контакте до низкого уровня и обеспечения долговечности по отношению к фтору и прикладываемому напряжению в окружающей среде, действию которой подвергается материал в соответствии с настоящим изобретением.

Если толщина слоя титановой оксидной пленки составляет менее 3 нм, сопротивление перехода в контакте после проведения ускоренного испытания на деградацию, в котором вводят фтор или прикладывают напряжение, составляет менее, чем 20 мОм*см², и количественное повышение величины сопротивления перехода в контакте составляет больше, чем 10 мОм*см², и долговечность является недостаточной. С другой стороны, если толщина слоя титановой оксидной пленки составляет более 15 нм, начальное сопротивление перехода в контакте составляет более чем 10 мОм*см².

Толщина слоя титановой оксидной пленки на внешней поверхности может быть измерена путем наблюдения поперечного сечения непосредственно под поверхностью с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Как показано на Фигуре 5, светлый (беловатый) участок 2 пленки представляет собой титановую оксидную пленку. С другой стороны, в случае, когда заданная обработка нагреванием не выполняется, не смотря на то, что начальное сопротивление перехода в контакте мало, сопротивление перехода в контакте увеличивается приблизительно до 100 мОм*см²после проведения испытания на деградацию.

В случае стандартного материала, карбид, нитрид и/или карбонитрид титана, присутствующие в большом количестве в слое титановой оксидной пленки или непосредственно под слоем титановой оксидной пленки, растворяются в коррозионной среде, в которой содержится фтор, или в других условиях эксплуатации, при которых прикладывают электрический потенциал, и повторно осаждают в виде оксида, который ингибирует электрическую проводимость в контакте.

С другой стороны, в случае материала в соответствии с настоящим изобретением является предпочтительным, чтобы компоненты масла для холодной прокатки, содержащие в своем составе атомы C и т.д., которые приводят к образованию карбида, удаляли путем травления в качестве предварительной обработки после проведения холодной прокатки, или карбид, нитрид, и/или карбонитрид титана, получаемые на поверхности путем светлого отжига, практически полностью удалялись путем проведения травление с помощью нитрофторводородной кислоты или путем обработки с формироавнием гидридов после проведения светлого отжига.

В соответствии с приводимым выше описанием, эффект в соответствии с настоящим изобретением достигается в случае содержания атома С на уровне 10 атомных % или менее, в случае содержания атома N на уровне 1 атомного % или менее, и в случае содержания атома В на уровне 1 атомного % или менее, что определяется по результатам анализа поверхности с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) после того, как поверхность подвергают распылению на 5 нм с использованием аргона.

Таким образом, поверхностная структура, в составе которой карбид, нитрид и/или карбонитрид титана практически не присутствуют, формируется на поверхности материала в соответствии с настоящим изобретением; таким образом, в значительной степени повышается долговечность в коррозионной среде, в которой содержится фтор, или долговечность в других условиях эксплуатации, при которых прикладывают электрический потенциал.

Таким образом, в случае материала в соответствии с настоящим изобретением, количественное повышение величины сопротивления перехода в контакте после проведения испытания на деградацию составляет 10 мОм*см²или менее. Она, предпочтительно, составляет 4 мОм*см²или менее. Для справки, сопротивление перехода в контакте после проведения испытания на деградацию составляет 20 мОм*см²или менее, предпочтительно, составляет 10 мОм*см²или менее, и более, предпочтительно, составляет 8 мОм*см²или меньше.

Далее, описывается способ изготовления материала в соответствии с настоящим изобретением.

В процессе подготовки куска фольги, выступающего в качестве материала на основе титана, в целях снижения вероятности образования карбида, нитрида, и карбонитрида титана на поверхности, реализуют компонентный дизайн, описываемый выше, и подбирают условия проведения холодной прокатки, очистки (в том числе с помощью травления) и отжига (атмосфера, температура, время и т.д.) и проводят данные процессы. По мере необходимости, в дальнейшем в целях проведения отжига, очистку с помощью травления проводят с помощью водного раствора нитрофторводородной кислоты (например, с помощью 3,5 % масс. фтористого водорода + 4,5 % масс. азотной кислоты).

После этого, основной титановый материал подвергают какому-либо одному из видов обработки (х) погружения в соляную кислоту или серную кислоту, которая представляет собой неокислительную кислоту, (у) обработки катодным электролизом, и (z) после проведения обработки нагреванием в содержащей водород атмосфере; таким образом, гидрид титана (вида TiH, TiH_1.5, или TiH₂) формируют на внешнем слое титана или материала на основе титанового сплава.

В случае формирования большого количества гидрида вплоть до внутренней части основного титанового материала, весь основной материал может быть подвергнут охрупчиванию; таким образом, способ (х) погружения в соляную кислоту или серную кислоту, которая представляет собой неокислительную кислоту, и способ (у) обработки катодным электролизом, в рамках которых водород может быть сконцентрирован только в относительной близости к поверхности, являются наиболее предпочтительными.

Впоследствии, внешний слой, на котором формируется гидрид титана, подвергают обработке нагреванием при температуре 260°С или выше в окислительной атмосфере с образованием TiO, в соответствии с приводимым выше описанием; таким образом, получают структуру на поверхности материала в соответствии с настоящим изобретением. Воздух представляется наиболее удобным для использования в качестве окислительной атмосферы. Если температура нагревания составляет 350°С или более, окисление прогрессирует быстро и контроль за получением материала в соответствии с настоящим изобретением является затруднительным; следовательно, температура нагревания, предпочтительно, составляет менее 350°С. С другой стороны, если атмосфера проведения обработки нагреванием представляет собой атмосферу вакуума, атмосферу инертного газа или представляет собой восстановительную атмосферу, которая не является окислительной атмосферой, структура поверхности, в которой распределен TiO, и наружная поверхность, образованная из пленки оксида титана, в соответствии с настоящим изобретением не образуется, и данный эффект также не проявляется.

Время проведения обработки нагреванием должно устанавливаться таким образом, чтобы толщина слоя титановой оксидной пленки могла контролироваться при температуре обработки нагреванием, составляющей не менее 260°С и менее 350°С. Поскольку удовлетворяющее требованиям время проведения обработки изменяется с температурой и температурной точкой росы обработки нагреванием, время проведения обработки, предпочтительно, составляет в интервале 1-15 минут, более, предпочтительно, составляет в интервале 2-8 минут, с точки зрения степени стабильности производственного процесса и его производительности.

Материал в соответствии с настоящим изобретением характеризуется превосходной электрической проводимостью и превосходной долговечностью, в соответствии с приводимым выше описанием, и может быть использован в качестве основного материала для использования в составе сепаратора топливного элемента.

В сепараторе топливного элемента, в составе которого используется материал в соответствии с настоящим изобретением в качестве основного материала, эффективно используется поверхность материала в соответствии с настоящим изобретением, что является само собой разумеющимся. С другой стороны, также может быть возможным случай, при котором на поверхности материала в соответствии с настоящим изобретением дополнительно формируется электрически проводящая пленка, включающая в свой состав металл на основе благородного металла, такой как золото, включающая в свой состав углерод, или формируется углеродсодержащая пленка, что является само собой разумеющимся. Тем не менее, в данном случае, в сепараторе топливного элемента, в составе которого используется материал в соответствии с настоящим изобретением в качестве основного материала, даже в случае наличия дефекта в основном металле на основе благородного металла, таком как золото, в углеродной пленке, или в углеродсодержащей пленке, коррозия основного титанового материала подавлена в большей мере, чем в стандартных материалах, поскольку непосредственно под пленкой присутствует поверхность, которая характеризуется превосходной электрической проводимостью в контакте и отличной коррозионной устойчивостью материала в соответствии с настоящим изобретением.

В сепараторе топливного элемента, в составе которого используется материал в соответствии с настоящим изобретением в качестве основного материала, поверхность характеризуется электрической проводимостью в контакте и долговечностью, находящейся на том же уровне, как и в случае стандартного углеродного сепаратора, и, более того, характеризуется меньшей вероятностью образования трещин; таким образом, качество и срок службы топливного элемента могут быть обеспечены в течение длительного периода времени.

[Примеры]

Далее описываются примеры в соответствии с настоящим изобретением, но условия, приводимые в примерах, являются лишь примерами условий, используемых для оценки возможности и эффекта в соответствии с настоящим изобретением, и настоящее изобретение не ограничивается этими примерами условий. В настоящем изобретении могут использоваться различные условия в той степени, в которой они не отступают от общей идеи в соответствии с настоящим изобретением и достигают целей в соответствии с настоящим изобретением.

(Пример 1)

В целях подтверждения того факта, что промежуточным материалом в соответствии c настоящим изобретением и материалом в соответствии с настоящим изобретением достигаются требуемые свойства, получают тестовые материалы на основе титана или материалы на основе титанового сплава при различных условиях (здесь и далее упоминаемого в качестве «основного титанового материала»), при этом изменяют условия проведения предварительной обработки, обработки с формированием гидридов и обработки нагреванием.

Испытуемую часть заданного размера отбирают из исследуемого материала, и поверхность исследуют методом рентгеновской дифракции, и сопротивление перехода в контакте (электрическая проводимость в контакте) измеряют после проведения ускоренного испытания на деградацию.

Измерение методом рентгеновской дифракции проводят с использованием условий, описываемых выше, и примеры результатов измерения показаны на Фигуре 1 (промежуточный материал перед проведением обработки нагреванием) и на Фигуре 3 (после проведения обработки нагреванием).

Условия изготовления испытуемого материала приводятся ниже. Результаты измерений представлены в Таблицах 1-4 вместе с соответствующими различными условиями.

Материал на основе титана

Материал (материалы) на основе титана представлен следующими образцами.

Материал M01: титан (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 1 TP270C); промышленный чистый титан, тип 1

Материал M02: титан (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 3 TP480C); промышленный чистый титан, тип 2

Материал M03: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 61); Al (содержание в интервале 2,5-3,5% масс.) - V (содержание в интервале 2-3% масс.) – Ti.

Материал M04: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 16); Та (содержание в интервале 4-6% масс.) – Ti.

Материал M05: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 17); Pd (содержание в интервале 0,04 - 0,08% масс.) – Ti.

Материал M06: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 19); Pd (содержание в интервале 0,04-0,08% масс.) - Co (содержание в интервале 0,2-0,8% масс.) – Ti.

Материал M07: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 21); Ru (содержание в интервале 0,04 - 0,06% масс.) - Ni (содержание в интервале 0,4-0,6% масс.) – Ti.

Материал M08: сплав титана: Pd (содержание 0,02% масс.) - Mм (содержание 0,002% масс.) – Ti.

В контексте настоящего изобретения, Mм представляет собой смешанные редкоземельные элементы до выделения и очистки (миш-металл), и состав используемого Mм является следующим 55% масс. Се, 31% масс. La, 10% масс. Nd и 4% масс Pr.

Материал M09: сплав титана; Pd (содержание 0,03% масс.) - Y (содержание 0,002% масс.) – Ti.

Материал М10: сплав титана (в соответствии со стандартом JIS H 4600 тип 11); Pd (содержание в интервале 0,12-0,25% масс.) – Ti.

Примечание: материал M08 и материал M09, которые представляют собой титановые сплавы, не относящиеся к стандартам системы JI8, относятся к базовому материалу, получаемому путем проведения плавки в лабораторном масштабе и проведения горячей прокатки и холодной прокатки.

[Предварительная обработка]

Предварительную обработку основного титанового материала проводят следующим образом.

Вариант предварительной обработки P01: выполняют холодную прокатку до толщины 0,1 мм, выполняют щелочную очистку, и затем выполняют осветляющий отжиг при 800°С в течение 20 секунд в атмосфере аргона, и затем выполняют очистку поверхности травлением с помощью нитрофторводородной кислоты.

Вариант предварительной обработки Р02: выполняют холодную прокатку до толщины 0,1 мм, выполняют очистку поверхности травлением с помощью нитрофторводородной кислоты с целью удаления прокатного масла, и затем выполняют осветляющий отжиг при 800°С в течение 20 секунд в атмосфере аргона.

Вариант предварительной обработки Р03: выполняют холодную прокатку до толщины 0,1 мм, выполняют щелочную очистку, и затем выполняют осветляющий отжиг при 800°С в течение 20 секунд в атмосфере аргона.

В рамках вариантов очистки поверхности Р01 и Р02 с помощью нитрофторводородной кислоты погружение выполняют при 45°С в течение 1 мин в водном растворе, содержащем 3,5 % масс. фторида водорода (HF) и 4,5% масс. азотной кислоты (HNO₃). Часть, проходящую приблизительно вглубь на 5 мкм от поверхности, растворяют.

[Обработка с формированием гидридов]

(x) Травление

Н01: с помощью 30% масс. водного раствора соляной кислоты

Н02: с помощью 30% масс. водного раствора серной кислоты

(y) Обработка катодным электролизом

Н03: с помощью водного раствора серной кислоты; рН 1; плотность тока: 1 мА/см^2,

H04: с помощью водного раствора, главным образом на основе сульфата натрия; при рН 2; плотность тока: 1 мА/см^2,

(z) Обработки нагреванием в содержащей водород атмосфере

Н05: атмосфера (450°С) 20% водорода + 80% газа Ar

[Обработка нагреванием]

К01: обработку нагреванием выполняют в нагревательной печи в атмосфере воздуха. Температуру нагревания варьируют в интервале от не менее 250°С и ниже 350°С, и время нагревания варьируют в интервале 1-8 минут.

К02: обработку нагреванием выполняют в атмосфере Ar.

К03: обработку нагреванием выполняют в вакуумной атмосфере (5×10^-4 торр).

[Испытание на деградацию]

Испытание 1 на деградацию выполняют путем погружения в течение 4-х дней в раствор серной кислоты при 80°С, доведенный до значения рН 3 и характеризующийся концентрации фторид-ионов, составляющей 20 частей на миллион.

Испытание 2 на деградацию выполняют путем приложения электрического потенциала 1,0 В (в сравнении со стандартным водородным электродом) в течение 24 ч в растворе серной кислоты при 80°С и при значении рН 3,

Оценочное определение: количественное повышение сопротивления в контакте «А» относится к величине, составляющей 4 мОм*см²или менее, сопротивления в контакте «B» относится к величине, составляющей более 4 мОм*см²и не более 10 мОм*см², и сопротивления в контакте «C» относится к величине, составляющей более 10 мОм*см^2, Величина сопротивления перехода в контакте, измеряемая с использованием описываемых выше условий, составляет 10 мОм*см²или меньше в случае сопротивления в контакте «А», составляет более 10 и не более 20 мОм*см²в случае сопротивления в контакте «B», и также составляет более 20 мОм*см²в случае сопротивления в контакте «C».

Результаты в зависимости от изменяемых условий формирования основного титанового материала и в зависимости от предварительной обработки, приводятся в Таблице 1.

[Таблица 1]

Результаты измерений в зависимости от варьируемых способа проведения обработки, времени проведения обработки и температуры проведения обработки при проведения обработки с формированием гидридов показаны в Таблице 2.

[Таблица 2]

Результаты измерений в зависимости от варьируемых атмосферы, времени проведения обработки и температуры проведения обработки при проведения обработке нагреванием показаны в Таблице 3.

[Таблица 3]

Результаты измерений в зависимости от варьируемых условий проведения обработки показаны в Таблице 4.

[Таблица 4]

Из Таблиц 1-4 следует, что электрическая проводимость в контакте в примерах в соответствии с настоящим изобретением, в которых используется промежуточный материал в соответствии с настоящим изобретением, в котором композиционное отношение гидрида титана (I_Ti-H/(I_Ti+I_T-H)) в составе поверхности составляет 55% или более, гораздо выше, чем электрическая проводимость в контакте в сравнительных примерах (стандартные материалы). Эффект в соответствии с настоящим изобретением проявляется независимо от того, содержится ли в составе элемент из группы платины или нет. С другой стороны, в случае сравнительного примера, когда не выполняется обработка нагреванием в окислительной атмосфере, или в случае, когда обработка нагреванием выполняется в вакуумной атмосфере или выполняется в атмосфере инертного газа, которые не являются окислительной атмосферой, поверхностная структура, в которой распределен TiO как в примере в соответствии с настоящим изобретением не выделяется, и ее эффект также не проявляется.

Практическая Применимость в Промышленности

В соответствии с приводимым выше описанием, в соответствии с настоящим изобретением, становится возможным получение материала на основе титана или материала на основе титанового сплава для использования в составе сепаратора топливного элемента, характеризующегося превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и характеризующегося превосходной долговечностью и для использования в составе сепаратора топливного элемента, характеризующегося превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и характеризующегося превосходной долговечностью. В случае использования сепаратора топливного элемента срок службы топливного элемента может быть в значительной степени пролонгирован. Таким образом, настоящее изобретение характеризуется высокой степенью практической значимости для применения в промышленности по производству батарей.

Перечень Справочных Знаков

1. Ti (материал на основе титана или материал на основе титанового сплава)

2. Участок в светлой (беловатой) пленки (оксидная титановая пленка)

Реферат

Группа изобретений относится к материалу на основе титана или к материалу на основе титанового сплава, поверхность которого обладает электрической проводимостью и превосходной устойчивостью к коррозии. Материал на основе титана или материал на основе титанового сплава, в котором в составе оксидной пленки, сформированной на поверхности титана или титанового сплава, композиционное отношение для TiO(I/(I+I))×100, определяемое из максимумов интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для TiO (I) и максимумов интенсивности пиков на картине рентгеновской дифракции для металлического титана (I) для рентгеновской дифракции, измеряемой при величине угла падения излучения к поверхности, составляющей 0,3°, составляет 0,5% или более. Имеются также способ производства материала на основе титана, сепаратор топливного элемента и топливный элемент на основе полимерного электролита. Группа изобретений позволяет производить материал на основе титана или материал на основе титанового сплава, характеризующийся превосходной электрической проводимостью в контакте с углеродом и превосходной долговечностью. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл., 1 пр.

Формула