钛材料及其制备方法技术

本发明专利技术的钛材料包含由钛合金构成的基材，该钛合金包含至少一种选自金、银和铂系元素中的成合金元素；以及在基材表面上完整排列成一层的富集层。富集层中，成合金元素是通过从基材表面洗脱Ｔｉ而富集的。富集层的平均厚度大于等于２．５ｎｍ。富集层中成合金元素的总浓度为４０至１００原子百分比。基材中成合金元素的总含量为０．０１至１．０质量百分比。由本发明专利技术钛材料构成的电极适合在燃料电池的隔板中使用，并且可以容易地生产，因此可以降低成本。

【技术实现步骤摘要】
钛材料及其制备方法
本专利技术涉及一种钛材料和制备该钛材料的方法。具体而言，本专利技术涉及一种适合在燃料电池的电极中，例如在隔板中使用的钛材料及其制备方法。
技术介绍
钛及其合金具有极好的耐腐蚀性，而且钛本身具有极好的导电性。因此，这些材料有希望成为用于电极的材料，例如用于电解工业的电极和固体聚合物型燃料电池隔板，这些材料要求具有导电性和耐腐蚀性。但是，由于纯钛及其合金是活泼金属，当简单地任其放置时，材料表面上会形成被称作钝化膜的氧化膜。钝化膜增加了电阻，从而造成电流损失。所以，在许多情况下，不经过处理的钛材料不适合用作电极材料。因此，日本未审查专利申请公开2003-105523公开了一种钛电极材料，其中将钛材料表面上的钝化膜除去，并通过电镀、丝网印刷等，将所得到的表面被覆上一层由铂系贵金属和/或其氧化物形成的贵金属膜，从而确保其导电性。固体聚合物型燃料电池是通过将多个单元电池(unit cell)堆叠，在它们之间有称作隔板(或者双极板)的电极而构造的，其中单元电池具有这样一种构造，其中固体聚合物电解质膜被阳极和阴极夹在中间。这种隔板要求具有低接触电阻，而且金属材料的应用，例如铝合金、不锈钢、镍合金和钛合金的应用，已经被人研究过了。但是，这些金属材料的问题在于：在使用环境中锈形成或者腐蚀产物沉积在表面上，而且接触电阻随时间而增加，导致导电性的下降和电流损失。为了防止这样的接触电阻增加并维持导电性，已经有人提出了在金属表面上形成一层导电性陶瓷膜的技术(以下称作已知技术A)，以及在金属-->表面形成一层贵金属薄膜层，进行压缩处理，然后在活泼气体气氛中进行腐蚀保护处理的技术(以下称作已知技术B)(日本未审查专利申请公开11-162479和日本未审查专利申请公开2003-105523)。但是，上述的贵金属膜涂层处理，除了使用昂贵的钛材料作为原材料之外，还导致了成本的进一步增加，因此，由于生产成本高，在实际生产中，该技术没有被广泛用于电极材料的制备。具体而言，燃料电池的隔板是通过将电池(单元电池)夹在多个隔板之间而构造的，其中单元电池具有这样一种构造，其中聚合物电解质膜位于多孔燃料电极和空气电极之间。由于使用了大量的隔板，降低成本的要求变得更加强烈。在目前的情况下，从成本考虑，首选使用提供导电性的不锈钢作为隔板的原材料，尽管其耐腐蚀性不总是令人满意。按照上述的已知技术A和B，可以在一定程度上确保隔板的耐久性。但是，导电性的维持还不令人满意。下面将对这点进行详细描述。在已知技术A(其中在金属表面上形成一层导电性陶瓷膜)中，由于陶瓷易碎，容易因碰撞等某类原因而在陶瓷膜中出现裂缝。当陶瓷膜中出现裂缝时，腐蚀性材料通过裂缝进入而腐蚀基材(金属)。因此，存在下面的问题：即出现陶瓷膜的脱落，从而使接触电阻增加，以至于降低导电性。在已知技术B(其中在金属表面形成一层贵金属薄膜层，进行压缩处理，然后在活泼气体气氛中进行腐蚀保护处理)中，存在贵金属薄膜层出现局部脱落，从而使导电性下降的问题。即，因为隔板通常有表面粗糙度(asperity)，难以在形成贵金属薄膜层后的压缩处理中对贵金属薄膜层进行均匀压缩处理，而且不能避免贵金属薄膜层的残余应力在不同位置处的变化。因此，会出现贵金属薄膜层的局部脱落，从而使接触电阻增加，以至于导电性降低。
技术实现思路
专利技术概述本专利技术是考虑到上述问题而进行的。因此，本专利技术的一个目的是克服上述问题并提供一种适合在电极中使用的钛材料及其制备方法。即，本专利技术旨在提供一种钛材料，其中容易进行生产，可以降低成本，而且由于接-->触电阻增加而使导电性下降的现象难以出现。已知包含铂系元素等作为成合金元素的钛合金的耐腐蚀性高于纯钛。但是，本专利技术的专利技术人发现：即使上述成合金元素的含量很小，通过从钛合金中洗脱Ti，上述成合金元素也被富集，因此，在钛合金基材表面上连续地形成导电富集层。从而完成了本专利技术。本专利技术一方面的钛材料包含由钛合金构成的基材，所述的钛合金包含总量为0.01至1.0质量百分比的至少一种选自金、银和铂系元素(Pd、Pt、Ir、Ru、Rh和Os)中的成合金元素；以及在上述基材表面上完整排列成一层的富集层，其中上述富集层的平均厚度大于等于2.5nm，富集层中上述成合金元素的总浓度为40至100原子百分比。上述富集层的厚度是指一直到合金元素浓度降低到峰值浓度一半处的成合金元素富集层的深度，此处以基材中成合金元素的浓度作为参比，而组成分析是用俄歇电子能谱(AES)沿着基材深度(厚度)方向进行的。优选上述富集层的平均厚度大于等于6.0nm。优选上述基材中上述成合金元素的总含量为0.01至1.0质量百分比。当使用通过从基材表面洗脱Ti而形成富集层的方法时，如果含量小于0.01质量百分比，则要增加Ti的洗脱量，形成富集层费时太多。另一方面，即使含量超过1.0质量百分比，虽然材料成本增加了，并没有促进富集层的形成。因此，这是不经济的。本专利技术一方面的钛材料可以形成在上述富集层和上述基材之间包含一个厚度为10至40nm的氧化膜的结构。上述氧化膜可以包含具有锐钛矿型晶体结构的二氧化钛。各自由本专利技术上述方面的钛材料构成的电极和燃料电池隔板也在本专利技术范围之内。本专利技术另一方面的制备上述钛材料的方法包括如下步骤：将由包含总量为0.01至1.0质量百分比的至少一种选自金、银和铂系元素(Pd、Pt、Ir、Ru、Rh和Os)中的成合金元素的钛合金组成的基材浸渍在包含非氧化酸的溶液中，从上述基材表面上洗脱钛，从而在钛合金表面上形成上述元素总浓度为40至100原子百分比且平均厚度大于等于2.5nm的富集层。在本专利技术制备上述钛材料的方法中，用于浸渍基材的上述溶液除了非-->氧化酸外还可以包含氧化酸。此处，上述氧化酸可以包含0.1至40质量百分比的硝酸。在本专利技术制备上述钛材料的方法中，用于浸渍钛合金的上述溶液可以包含选自0.01至3.0质量百分比的氟化氢、1.0至30质量百分比的盐酸、1.0至30质量百分比的硫酸、10至50质量百分比的磷酸、10至40质量百分比的甲酸和10至30质量百分比的草酸中的至少一种酸作为非氧化酸。本专利技术制备上述钛材料的方法还包括在将钛合金在上述溶液中浸渍后在350℃至600℃的温度下加热的步骤。上述钛材料不仅有极好的耐腐蚀性而且有极好的导电性，因此适合在燃料电池的隔板中使用。本专利技术另一方面的使用钛材料的方法包括使用上述钛材料作为钛合金原材料的步骤，所述的钛合金是在不除去钛材料富集层的情况下通过溶解而制备的。上述钛材料的富集层最初是由构成充当基材的钛合金的成合金元素形成的，因此，其废料具有极好的再循环利用效率。用本专利技术方法生产的钛材料拥有富集层，该富集层具有预定的厚度，而且其中成合金元素是通过从基材表面洗脱Ti而富集的，所述基材由包含成合金元素如铂系元素的钛合金制成。因此，该钛材料可以同时拥有由钛合金显示出的耐腐蚀性和由富集层显示出的极好的导电性。本专利技术的钛材料可以使用包含少量成合金元素的钛合金通过相对简单的洗脱Ti的技术来生产。因此，还可以降低生产成本。按照本专利技术的制备方法，可以生产出阻止因接触电阻增加而发生导电性下降的钛材料。因此，本专利技术的钛材料适合用于电极材料，例如用于电解处理的电极和燃料电池的隔板。附图说明图1是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钛材料，该钛材料包含：由钛合金构成的基材，所述钛合金包含总量为０．０１至１．０质量百分比的至少一种选自金、银和铂系元素中的成合金元素；以及在基材表面上完整排列成一层的富集层，其中富集层的平均厚度大于等于２．５ｎｍ ，富集层中成合金元素的总浓度为４０至１００原子百分比。

【技术特征摘要】
JP 2004-6-30 2004-192473;JP 2004-12-9 2004-3571571、一种钛材料，该钛材料包含：由钛合金构成的基材，所述钛合金包含总量为0.01至1.0质量百分比的至少一种选自金、银和铂系元素中的成合金元素；以及在基材表面上完整排列成一层的富集层，其中富集层的平均厚度大于等于2.5nm，富集层中成合金元素的总浓度为40至100原子百分比。2、权利要求1的钛材料，其中富集层的平均厚度大于等于6.0nm。3、权利要求1的钛材料，其中基材中成合金元素的总含量为0.05至0.5质量百分比。4、权利要求1的钛材料，该钛材料在富集层和基材之间还包含一层厚度为10至40nm的氧化膜。5、权利要求4的钛材料，其中氧化膜包含具有锐钛矿型晶体结构的二氧化钛。6、一种包含权利要求1的钛材料的电极。7、一种包含权利要求1的钛材料的燃料电池隔板。8、一种制备权利要求1的钛材料的方法，该方法包括如下步骤：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：屋敷贵司，阪下真司，佐藤俊树，福田正人，
申请(专利权)人：株式会社神户制钢所，
类型：发明
国别省市：JP[日本]