JP2003297379A - Manufacturing method of separator for low temperature fuel cell - Google Patents

Manufacturing method of separator for low temperature fuel cell

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JP2003297379A
JP2003297379A JP2002094538A JP2002094538A JP2003297379A JP 2003297379 A JP2003297379 A JP 2003297379A JP 2002094538 A JP2002094538 A JP 2002094538A JP 2002094538 A JP2002094538 A JP 2002094538A JP 2003297379 A JP2003297379 A JP 2003297379A
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stainless steel
separator
contact resistance
fuel cell
steel plate
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JP2002094538A
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Japanese (ja)
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Takeshi Shimizu
剛 清水
Tsutomu Miyano
勉 宮野
Shinichi Kamoshita
真一 鴨志田
Yoshikazu Morita
芳和 守田
Keiji Izumi
圭二 和泉
Yuichi Yatsugami
裕一 八神
Takeshi Takahashi
剛 高橋
Yoshiaki Kajikawa
義明 梶川
Kouta Kodama
幸多 児玉
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Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Nisshin Steel Co Ltd
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a stainless steel separator with further reduced contact resistance showing superior corrosion resistance after surface roughening by alternating electrolytic etching in a ferric chloride aqueous solution. <P>SOLUTION: The separator improved in both the corrosion resistance and contact resistance is manufactured by using a stainless steel plate raw material containing 0.5 mass% or more Cu, applying the alternating electrolytic etching of alternately carrying out anodic electrolysis at an electric potential of +0.5 VvsSCE or more and cathodic electrolysis at an electric potential in a range of -0.2 to -0.8 VvsSCE in the ferric chloride aqueous solution, roughening one face or both faces of a stainless steel plate, forming a multiplicity of pits with bristling microscopic protrusions in circumferential rims throughout the whole surface, and forming a barrier layer film mainly comprising oxide or hydroxide of Cr entrapping Cu or Cu oxide. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
を始め、低温稼動可能な燃料電池のセパレータの製造法
に関する。 【0002】 【従来の技術】燃料電池のなかでも、固体高分子型の燃
料電池は、100℃以下の温度で動作可能であり、短時
間で起動する長所を備えている。また、各部材が固体か
らなるため、構造が簡単でメンテナンスが容易で、振動
や衝撃に曝される用途にも適用できる。さらに、出力密
度が高いため小型化に適し、燃料効率が高く、騒音が小
さい等の長所を備えている。これらの長所から、電気自
動車搭載用としての用途が検討されている。ガソリン自
動車と同等の走行距離を出せる燃料電池を自動車に搭載
できると、NOx,SOxの発生がほとんどなく、CO
2の発生が半減する等、環境に対して非常にクリーンな
動力源になる。 【0003】固体高分子型燃料電池は、分子中にプロト
ン交換基をもつ固体高分子樹脂膜がプロトン導電性電解
質として機能することを利用したものであり、他の形式
の燃料電池と同様に固体高分子膜の一側に水素等の燃料
ガスを流し、他側に空気等の酸化性ガスを流す構造にな
っている。具体的には、固体高分子膜1の両側に酸化極
2および燃料極3を接合し、それぞれガスケット4を介
しセパレータ5を対向させている(図1a)。酸化極2
側のセパレータ5に空気供給口6,空気排出口7が形成
され、燃料極3側のセパレータ5に水素供給口8,水素
排出口9が形成されている。 【0004】セパレータ5には、水素gおよび酸素また
は空気oの導通および均一分配のため、水素gおよび酸
素または空気oの流動方向に延びる複数の溝10が形成
されている。また、発電時に発熱があるため、給水口1
1から送り込んだ冷却水wをセパレータ5の内部に循環
させた後、排水口12から排出させる水冷機構をセパレ
ータ5に内蔵させている。水素供給口8から燃料極3と
セパレータ5との間隙に送り込まれた水素gは、電子を
放出したプロトンとなって固体高分子膜1を透過し、酸
化極2側で電子を受け、酸化極2とセパレータ5との間
隙を通過する酸素または空気oによって燃焼する。そこ
で、酸化極2と燃料極3との間に負荷をかけるとき、電
力を取り出すことができる。 【0005】燃料電池は、1セル当りの発電量が極く僅
かである。そこで、セパレータ5,5で挟まれた固体高
分子膜を1単位とし、複数のセルを積層すること(図1
b)により取出し可能な電力量を大きくしている。多数
のセルを積層した構造では、セパレータ5の抵抗が発電
効率に大きな影響を及ぼす。発電効率を向上させるため
には、導電性が良好で接触抵抗の低いセパレータが要求
され、リン酸塩型燃料電池と同様に黒鉛質のセパレータ
が使用されている。 【0006】黒鉛質のセパレータは、黒鉛ブロックを所
定形状に切り出し、切削加工によって各種の孔や溝を形
成している。そのため、材料費や加工費が高く、全体と
して燃料電池の価格を高騰させると共に、生産性を低下
させる原因になっている。しかも、材質的に脆い黒鉛で
できたセパレータでは、振動や衝撃が加えられると破損
する虞が大きい。そこで、プレス加工やパンチング加工
等によって金属板からセパレータを作ることが特開平8
−180883号公報で提案されている。 【0007】 【発明が解決しようとする課題】酸素または空気oが通
過する酸化極2側は、酸性度がpH2〜3の酸性雰囲気
にある。このような強酸性雰囲気に耐え、しかもセパレ
ータに要求される特性を満足する金属材料は、これまで
のところ実用化されていない。酸性雰囲気に耐え、接触
抵抗の低い金属材料としてAu,Pt等の貴金属が知ら
れているが、非常に高価な材料であることから燃料電池
用セパレータとして実用的な材料とはいえない。また、
Niは、Au,Ptに比較すると非常に安価で、優れた
電子伝導体でもあるが、pH2〜3の酸性雰囲気におけ
る耐食性が不足する。 【0008】他方、強酸に耐える金属材料としては、ス
テンレス鋼に代表される耐酸性材料が考えられる。これ
らの材料は、表面に形成した強固な不動態皮膜によって
耐酸性を呈するが、不動態皮膜によって表面抵抗や接触
抵抗が高くなる。接触抵抗が高くなると、接触部分で多
量のジュール熱が発生し、大きな熱損失となり、燃料電
池の発電効率を低下させる。 【0009】表面抵抗や接触抵抗に及ぼす不動態皮膜の
影響が抑制されると、ステンレス鋼本来の優れた耐食性
を活用し、黒鉛質に代わるステンレス鋼製セパレータが
使用可能になる。このような観点から、本出願人は、表
面全域にわたって多数の微細なピットを設けることによ
り表面接触抵抗が減少することを見出し、特願2000
−276893号として出願した。多数の微細なピット
は、たとえば塩化第二鉄水溶液中でステンレス鋼板を交
番電解エッチングすることにより形成される。接触抵抗
は、微細ピットの形成により約10〜20mΩ・cm2
に低下するが、燃料電池用セパレータとして望まれてい
る数mΩ・cm2程度の接触抵抗と比較すると若干高
く、多数のセルユニットをスタックした場合におけるジ
ュール熱の発生等により熱損失が依然として無視できな
い状況である。 【0010】本発明は、このような問題を解消すべく案
出されたものであり、ステンレス鋼素材として最適なも
のを選択し、塩化第二鉄水溶液中で交番電解エッチング
して粗面化処理した後、優れた耐食性を示すとともに、
接触抵抗をさらに低下させたステンレス鋼製セパレータ
を製造することを目的とする。 【0011】 【課題を解決するための手段】本発明の低温型燃料電池
用セパレータの製造方法は、その目的を達成するため、
ステンレス鋼板の少なくとも片面を粗面化処理して周縁
に微細突起が林立した多数のピットを表面全域に形成さ
せる際、ステンレス鋼板素材としてCuを0.5質量%
以上含むものを使用し、塩化第二鉄水溶液中で、+0.
5VvsSCE以上の電位でのアノード電解と、−0.
2〜−0.8VvsSCEの間の電位でのカソード電解
とを交互に行う交番電解エッチングを施すことを特徴と
する。なお、本明細書中の電位表示「VvsSCE」
は、参照電極に飽和カロメル電極を使用した場合の電位
(V)を表わしている。アノード電解およびカソード電
解の電位は、アノード分極曲線およびカソード分極曲線
から求めることができる。 【0012】 【作用】本発明者等は、低温型燃料電池用セパレータと
して使用されるステンレス鋼板の表面状態が接触抵抗に
及ぼす影響を種々調査検討し、接触抵抗の低下に微細ピ
ットの形成が有効であることを先願(特願2000−2
76893号)で紹介した。しかし、微細ピットの形成
により低下した接触抵抗は約10〜20mΩ・cm2
あり、低温型燃料電池用セパレータに望まれる接触抵抗
に比較すると、依然として若干高い値である。 【0013】そこで、本発明では、接触抵抗の低下に有
効な微細ピットの作用を活用しながら、接触抵抗のさら
なる低下と、腐食雰囲気に曝されて腐食反応に十分耐え
る低温型燃料電池用セパレータについて検討してきた。
その結果、ステンレス鋼板素材として特定のものを使用
し、交番電解エッチング条件を特定なものとすることに
より、セパレータとしての耐食性と接触抵抗のさらなる
改善が実現できたものである。 【0014】耐食性と接触抵抗がさらに改善できた理由
の詳細は不明であるが、本発明者としては、次のように
考えている。素材板としてCu含有量が0.5質量%の
ものを使用し、+0.5VvsSCE以上の電位でアノ
ード電解するとピットが形成され、続いて−0.2〜−
0.8VvsSCEの間の電位でのカソード電解を行う
と、アノード電解時に鋼板より溶出したCuとCrが鋼
板表面に再析出して、Cuが取り込まれたCrを主体と
するバリア薄膜がステンレス鋼板表面に形成され、耐食
性と接触抵抗の両方の改善が可能になったと考えられ
る。 【0015】耐食性の改善は、Crの酸化物あるいは水
酸化物を主体とするバリア薄膜により、また接触抵抗の
改善は、Crの酸化物あるいは水酸化物を主体とするバ
リア薄膜中に取り込まれたCuあるいはCu酸化物が導
電サイトを形成するためと推測される。このとき、−
0.2VvsSCEより貴な電位でのカソード電解で
は、鋼板表面でH2の還元反応がほとんど起こらず、そ
のためアノード電解時のピットの発生起点が増えないこ
とから、周縁に微細突起が林立した多数のピットを表面
全域に形成させることが不可能となる。 【0016】一方、−0.8VvsSCEより卑な電位
でカソード電解を実施した場合、条件によっては目的と
する粗面化形態の処理は可能であるが、Feの再析出も
起こりだし、鋼板表面にはFeの酸化物あるいは水酸化
物を多く含んだ薄膜が形成され、結果として耐食性に優
れるCrを主体としたバリア薄膜の形成が困難となり、
耐食性が低下する。また、カソード電解電位が卑側にな
るとともに鋼板表面ではH2の還元反応も多くなり、一
旦析出したCuが除去されてしまうためか接触抵抗のさ
らなる改善が期待できない。 【0017】 【実施の形態】セパレータ基材として使用されるステン
レス鋼板には、燃料電池雰囲気で必要とする耐食性を呈
する限り鋼種に特段の制約が加わるものではない。フェ
ライト系,オーステナイト系,二相系等のステンレス鋼
板が使用できる。使用されるステンレス鋼板としては、
酸性環境での耐食性を確保する上で16質量%以上のC
rを含むものが好ましい。一方、酸性環境における材料
の不動態化限界電流密度に着目すると、Cr濃度が高い
ほど電流値が低くなって耐食性の観点では有利である
が、高電位環境における腐食電流に着目すると、酸性の
高電位環境はステンレス鋼にとっては過不動態化域に晒
されることとなり、Cr濃度が高いほどCrの溶解電流
が流れる。また、Cr含有量が多くなるとセパレータへ
の加工性が低下するとともに、コスト的にも高価にな
る。したがってCr含有量の上限は25.0質量%にす
ることが好ましい。 【0018】本発明では、バリア皮膜中にCuあるいは
Cu酸化物を取り込ませて皮膜の接触抵抗を低下させる
ことを基本的発想とするものである。バリア層中のCu
濃度を高くして表面接触抵抗を下げるためのステンレス
鋼中のCu含有量は、各種実験結果から、少なくとも
0.5質量%必要であることを確認した。上限値につい
ては特に規定されないが、ステンレス鋼に多量のCuを
含有させると熱間加工性が低下する等、製造性を阻害す
ることになるので、Cu含有量は5.0質量%以下にす
ることが好ましい。 【0019】接触抵抗を低下させる上でステンレス鋼板
の表面,裏面の何れか一方を粗面化処理することが好ま
しい。粗面化処理ではFe(OH)3の保護膜としての
作用を利用して多数のピットを形成することから、NO
3 -,SO4 2-等のイオンを多量に含まない塩化第二鉄水
溶液中での交番電解エッチングが採用される。NO3 -
SO4 2-等のイオンが多量に含まれると、ステンレス鋼
の酸化反応が促進しピットの形成に支障をきたし、必要
とする粗面化状態が得られない。このような観点から、
フェライト系ステンレス鋼板の場合は、Fe3+が1〜5
0g/lの塩化第二鉄水溶液を、またオーステナイト系
ステンレス鋼板の場合は、Fe 3+が30〜120g/l
の塩化第二鉄水溶液を使用することが好ましい。 【0020】交番電解エッチングでのアノード電解電
位、カソード電解電位の適正範囲については前記した通
りである。ピットの周縁に多数の微細突起が林立した表
面状態にするため、アノード通電時間は0.05〜1秒
の範囲に、またカソード通電時間は0.01秒以上に設
定することが好ましい。交番電解1サイクル当たりの適
正通電時間はアノード電解で0.05〜1秒,カソード
電解で0.01秒以上である。 【0021】なお、上記のようなCuまたはCu酸化物
が取り込まれた粗面化皮膜の形成を、工業的規模での生
産あるいはコイルへの連続処理を想定した場合、定電位
操業は非常に困難なことから、予め電位−電流曲線を測
定して本発明の電位範囲にあたる電流密度を求めてお
き、その値により定電流密度操業を行うこともできる。
例えば、図2に、Fe3+が50g/l、液温が50℃の
塩化第二鉄水溶液中で、液をスターラーにより攪拌させ
ながら掃引速度を100mV/secとして測定したS
US304のアノード・カソード分極曲線を示す。図か
ら、この場合、適正アノード,カソード電流密度範囲
は、それぞれ+1.3kA/m2以上と−0.2〜−
1.3kA/m2となる。 【0022】 【実施例】表1に、本件等に使用した供試材の化学成分
例と各供試材に適用した電解液の濃度と液温を示す。各
供試材とも2D仕上げ材を使用した。アノード,カソー
ド通電時間はいずれも0.1secで交番サイクルを5
Hzとし、処理時間は60secに統一した。 【0023】 【0024】実施例1 表1に示す各ステンレス鋼板を表2に示す条件下で交番
電解エッチングして粗面化処理を行った。粗面化処理し
たいずれのサンプルも鋼板表面は周縁に微細突起が林立
した多数のピットを表面全域に形成していることが確認
できた。各粗面化処理を施したサンプルをpH2、浴温
90℃の硫酸水溶液に168時間浸漬し、浸漬前後の重
量測定から腐食減量を算出した。また、各粗面化処理を
施したステンレス鋼板から切り出した試験片に荷重0.
98MPaでカーボン電極と接触させ、ステンレス鋼板
/カーボン電極間の接触抵抗を測定した。それらの結果
を表2に併せて示す。表中、接触抵抗:7mΩ・cm2
以下、腐食減量:0.5g/cm2以下を本発明例に区
分した。なお、交番電解エッチングによる粗面化処理サ
ンプルの作製は、予め使用する電解液中でアノード・カ
ソード分極曲線を測定して目標とする電解電位にあたる
電流密度を求め、定電流密度電解により行った。また、
オージェ電子分光計により粗面化処理後のステンレス鋼
板表面を測定し、得られたプロファイルから、皮膜中の
Cr,FeならびにCuの強度を読み取り、それらの濃
度比を算出した。 【0025】【0026】上記結果から、Cuを0.5質量%以上含
むステンレス鋼板を使用し、請求項に特定した範囲内の
条件で交番電解エッチングすると、粗面化皮膜中のCu
濃度が増加し、接触抵抗が低下していることがわかる。
これに対して、ステンレス鋼板中のCu含有量が低いと
所定の条件の交番電解エッチングを行っても(試験N
o.7)皮膜中へのCuの濃化がなく、接触抵抗は低下
していない。また、ステンレス鋼板として所定量のCu
を含有するものを使用しても、カソード電位が所定値よ
りも卑な条件で電解すると(試験No.9,10,1
1)、一旦析出したCuが再び溶出されたためか、皮膜
中のCu濃度が低くなって接触抵抗が大きくなってい
た。 【0027】実施例2 実施例1と同様に粗面化処理したNo.3,5および7
のサンプルについて、酸素極、燃料極のセパレータとし
て燃料電池に組み込んだ。各燃料電池セルに加湿した水
素および酸素を供給しながら、電流密度を一定値0.5
A/m2として燃料電池を100時間連続運転した後、
燃料電池セルからセパレータを取りだし、セパレータ表
面を観察して腐食状態を調査するとともに、接触抵抗を
測定した。接触抵抗の測定結果を表3に示す。 【0028】 【0029】腐食生成物については、いずれのサンプル
からも観察されなかった。サンプルNo.3および5の
ステンレス鋼板を使用したセパレータでは、燃料電池を
100時間連続運転した後でも十分に低い接触抵抗を維
持しているのに対して、サンプルNo.7のステンレス
鋼板を使用したセパレータでは、酸素極側で使用後に接
触抵抗が若干高くなっていた。接触抵抗が高くなると、
ジュール発熱による損失が多くなり、燃料電池としては
発電効率が悪くなることを意味している。 【0030】 【発明の効果】以上に説明したように、本発明では、ス
テンレス鋼板の少なくとも片面を粗面化処理して周縁に
微細突起が林立した多数のピットを表面全域に形成させ
る際、ステンレス鋼板素材としてCuを0.5質量%以
上含むものを使用し、塩化第二鉄水溶液中で、所定の電
位でアノード電解とカソード電解とを交互に行う交番電
解エッチングを施すことにより、粗面化処理した後も優
れた耐食性を示し、しかも接触抵抗をさらに低下させた
ステンレス鋼板を得ることができた。この鋼板をセパレ
ータとして使用することにより、接触部分でジュール熱
の発生が少なく、発電効率のよい燃料電池を得ることが
できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [0001] BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.
Of fuel cell separators that can operate at low temperatures
About. [0002] 2. Description of the Related Art Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells are known.
The fuel cell can operate at a temperature of 100 ° C or less,
It has the advantage of starting between. Whether each member is solid
The structure is simple, maintenance is easy, and vibration
It can also be applied to applications exposed to shocks and shocks. In addition, output density
Suitable for miniaturization due to high temperature, high fuel efficiency, low noise
It has advantages such as sai. Because of these advantages,
Applications for mounting on vehicles are being studied. Gasoline self
Equipped with a fuel cell that can provide the same mileage as a vehicle
If possible, there is almost no generation of NOx and SOx and CO2
TwoIt is extremely clean for the environment,
Become a power source. [0003] A polymer electrolyte fuel cell has a
Solid polymer resin membrane with proton exchange group
It is based on the fact that it works as a quality
Fuel such as hydrogen on one side of the polymer electrolyte membrane
Gas, and oxidizing gas such as air to the other side.
ing. Specifically, oxidized electrodes are provided on both sides of the solid polymer film 1.
2 and the fuel electrode 3 are joined to each other with a gasket 4
The separator 5 is opposed (FIG. 1a). Oxidation pole 2
Air supply port 6 and air discharge port 7 are formed on the side separator 5
The hydrogen supply port 8 is connected to the separator 5 on the fuel electrode 3 side.
An outlet 9 is formed. The separator 5 includes hydrogen g and oxygen or
Represents hydrogen g and acid for the conduction and uniform distribution of air o.
A plurality of grooves 10 extending in the flow direction of element or air o are formed
Have been. In addition, since there is heat during power generation,
The cooling water w sent from 1 is circulated inside the separator 5
After that, the water cooling mechanism to be discharged from the drain port 12 is separated.
Data 5. From the hydrogen supply port 8 to the fuel electrode 3
The hydrogen g sent into the gap with the separator 5 converts the electrons into electrons.
The released protons pass through the solid polymer membrane 1 and
Between the oxidizing electrode 2 and the separator 5
Combustion by oxygen or air o passing through the gap. There
When a load is applied between the oxidation electrode 2 and the fuel electrode 3,
The power can be taken out. [0005] Fuel cells generate very little power per cell.
Is. Therefore, the solid height sandwiched between the separators 5,5
Stacking a plurality of cells using a molecular film as one unit (Fig. 1
The amount of power that can be taken out is increased by b). Many
In this structure, the resistance of the separator 5 is
Significantly affects efficiency. To improve power generation efficiency
Requires separators with good conductivity and low contact resistance
And a graphite separator similar to a phosphate fuel cell
Is used. [0006] Graphitic separators include graphite blocks.
Cut out to a fixed shape and form various holes and grooves by cutting
Has formed. Therefore, material costs and processing costs are high, and overall
Raise fuel cell prices and reduce productivity
It is causing it. In addition, the material is brittle graphite
The resulting separator breaks when subjected to vibration or impact
There is a great risk of doing this. Therefore, pressing and punching
Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8
It is proposed in -180883. [0007] The problem is that oxygen or air o
On the side of the oxidizing electrode 2 passing, an acidic atmosphere having an acidity of pH 2 to 3
It is in. Withstands such a strongly acidic atmosphere and separates
Metal materials that satisfy the characteristics required for
It has not been put to practical use. Withstands acidic atmosphere, contact
Precious metals such as Au and Pt are known as low-resistance metal materials.
Fuel cell because it is a very expensive material
It is not a practical material as a separator for use. Also,
Ni is very inexpensive and superior to Au and Pt.
It is also an electronic conductor, but in an acidic atmosphere of pH 2-3
Corrosion resistance is insufficient. On the other hand, as a metal material resistant to a strong acid,
An acid-resistant material represented by stainless steel is considered. this
These materials are formed by a strong passive film formed on the surface.
Despite acid resistance, passivation film causes surface resistance and contact
Resistance increases. If the contact resistance is high,
Amount of Joule heat is generated, resulting in large heat loss and fuel
Reduces the power generation efficiency of the pond. [0009] The effect of the passive film on the surface resistance and contact resistance
When the effect is suppressed, the excellent corrosion resistance inherent in stainless steel
Utilizes a stainless steel separator to replace graphite
Will be available. From this point of view, the applicant has
By providing many fine pits over the entire surface
And found that the surface contact resistance was reduced.
-2766893. Many fine pits
For example, a stainless steel sheet is exchanged in an aqueous ferric chloride solution.
It is formed by electro-etching. Contact resistance
Is about 10 to 20 mΩ · cm due to the formation of fine pits.Two
However, it is expected to be used as a fuel cell separator.
Several mΩ · cmTwoSlightly higher compared to moderate contact resistance
When stacking a large number of cell units
Heat loss is still negligible due to the generation of
Situation. [0010] The present invention is designed to solve such a problem.
It is the most suitable for stainless steel material.
, And alternate electrolytic etching in ferric chloride aqueous solution
After having been subjected to surface roughening treatment, while showing excellent corrosion resistance,
Stainless steel separator with even lower contact resistance
It is intended to manufacture. [0011] SUMMARY OF THE INVENTION A low temperature fuel cell according to the present invention.
The production method of the separator for the purpose, to achieve its purpose,
At least one side of stainless steel plate is roughened
A large number of pits with fine protrusions formed on the entire surface
0.5% by mass of Cu as stainless steel plate material
Using the one containing the above, in an aqueous solution of ferric chloride, +0.
Anodic electrolysis at a potential of 5 V vs. SCE or higher;
Cathodic electrolysis at a potential between 2 and -0.8 V vs SCE
It is characterized by applying alternating electrolytic etching to alternate between
I do. The potential display “VvsSCE” in this specification
Is the potential when a saturated calomel electrode is used as the reference electrode
(V). Anodic electrolysis and cathodic electrolysis
The potential of the solution is determined by the anodic and cathodic polarization curves.
Can be obtained from [0012] The present inventors have developed a separator for a low-temperature fuel cell.
Surface condition of stainless steel sheet used for
Investigate and study the effects of this method on various factors.
Prior application (Japanese Patent Application No. 2000-2)
No. 76893). However, the formation of fine pits
The contact resistance decreased by about 10 to 20 mΩcmTwoso
Yes, contact resistance desired for low temperature fuel cell separators
Is still slightly higher than that of. Therefore, the present invention is effective in reducing the contact resistance.
While utilizing the effect of effective fine pits,
Exposure to corrosive atmosphere and withstands corrosive reactions
Low temperature fuel cell separators.
As a result, a specific stainless steel plate material is used
And to make the alternating electrolytic etching conditions specific
More corrosion resistance and contact resistance as a separator
The improvement was realized. Reasons why corrosion resistance and contact resistance could be further improved
Although the details are unknown, as the inventor, as follows:
thinking. Cu content of 0.5 mass% as the material plate
And use it at a potential of +0.5 V vs SCE or higher.
When pit electrolysis is performed, pits are formed, followed by -0.2 to-
Perform cathodic electrolysis at a potential between 0.8 V vs SCE
And Cu and Cr eluted from the steel sheet during anode electrolysis
Cr is reprecipitated on the plate surface and Cu is taken in.
Barrier thin film is formed on the stainless steel plate surface,
It is thought that it was possible to improve both performance and contact resistance
You. The improvement of the corrosion resistance is achieved by using an oxide of Cr or water.
The barrier thin film mainly composed of oxides
Improvement is achieved by using a buffer mainly composed of Cr oxide or hydroxide.
Cu or Cu oxide taken in the rear thin film
It is presumed to form an electric site. At this time,
0.2V vs. Cathodic electrolysis at noble potential than SCE
Is HTwoAlmost no reduction reaction occurs.
Therefore, the starting point of pit generation during anode electrolysis does not increase.
From the surface, many pits with fine protrusions on the periphery
It becomes impossible to form it in the whole area. On the other hand, -0.8 V vs. potential lower than SCE
When performing cathodic electrolysis at
Is possible, but the re-precipitation of Fe
Occurs on the surface of the steel sheet, Fe oxide or hydroxylation
A thin film containing many substances is formed, resulting in excellent corrosion resistance.
It becomes difficult to form a barrier thin film mainly composed of Cr,
Corrosion resistance decreases. Also, the cathode electrolysis potential is
And H on the steel sheet surfaceTwoThe reduction reaction of
The contact resistance is probably because the deposited Cu is removed.
No further improvement can be expected. [0017] DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Stainless steel used as a separator substrate
Steel sheet has the corrosion resistance required in a fuel cell atmosphere.
As far as possible, there is no particular restriction on the type of steel. Fe
Light, austenitic and duplex stainless steels
Board can be used. As the stainless steel plate used,
16% by mass or more of C to ensure corrosion resistance in acidic environment
Those containing r are preferred. On the other hand, materials in acidic environment
Focusing on the passivation limit current density of
The lower the current value, the more advantageous in terms of corrosion resistance
However, focusing on the corrosion current in a high potential environment,
High potential environment is exposed to the overpassivation zone for stainless steel
The higher the Cr concentration, the higher the Cr dissolution current
Flows. Also, when the Cr content increases,
Processability is reduced and cost is increased.
You. Therefore, the upper limit of the Cr content is set to 25.0% by mass.
Preferably. In the present invention, Cu or
Incorporates Cu oxide to lower the contact resistance of the film
That is the basic idea. Cu in barrier layer
Stainless steel for high concentration and low surface contact resistance
From the results of various experiments, the Cu content in steel was at least
It was confirmed that 0.5% by mass was required. About the upper limit
Is not specified, but a large amount of Cu
Incorporation in the composition impairs manufacturability, such as lowering hot workability.
Therefore, the Cu content should be less than 5.0% by mass.
Preferably. In order to reduce contact resistance, stainless steel plate
It is preferable to roughen either the surface or the back
New Fe (OH)ThreeAs a protective film
Since a large number of pits are formed using the action,
Three -, SOFour 2-Ferric chloride water that does not contain a large amount of ions such as
Alternating electrolytic etching in solution is employed. NOThree -,
SOFour 2-If a large amount of ions such as
Oxidation reaction promotes pit formation and hinders pit formation.
Cannot be obtained. From this perspective,
For a ferritic stainless steel sheet, use Fe3+Is 1 to 5
0 g / l ferric chloride aqueous solution and austenitic
Fe stainless steel 3+Is 30 to 120 g / l
It is preferable to use an aqueous solution of ferric chloride. Anode electrolytic cell in alternating electrolytic etching
And the appropriate range of the cathode electrolysis potential are as described above.
It is. A table with many fine protrusions on the periphery of the pit
Anode energization time is 0.05 to 1 second to make surface state
And the cathode energization time is set to 0.01 seconds or more.
It is preferable to specify Suitable for one cycle of alternating electrolysis
Positive energization time is 0.05 to 1 second for anodic electrolysis, cathode
It is 0.01 seconds or longer in electrolysis. It should be noted that Cu or Cu oxide as described above is used.
The formation of a roughened film incorporating
Constant potential assuming production or continuous processing to the coil
Since the operation is very difficult, measure the potential-current curve in advance.
To determine the current density corresponding to the potential range of the present invention.
In this case, the constant current density operation can be performed according to the value.
For example, FIG.3+Is 50 g / l and the liquid temperature is 50 ° C.
In a ferric chloride aqueous solution, stir the solution with a stirrer.
While measuring the sweep speed at 100 mV / sec.
3 shows an anode-cathode polarization curve of US304. Figure
In this case, the appropriate anode and cathode current density range
Are +1.3 kA / m, respectively.TwoAbove and -0.2 ~-
1.3kA / mTwoBecomes [0022] [Examples] Table 1 shows the chemical components of the test materials used in this study.
The example and the concentration and the temperature of the electrolytic solution applied to each test material are shown. each
The test material used was a 2D finished material. Anode, catho
The energization time is 0.1 sec and the alternation cycle is 5
Hz and the processing time was unified to 60 sec. [0023] [0024]Example 1 Each stainless steel sheet shown in Table 1 was alternately rotated under the conditions shown in Table 2.
A surface roughening treatment was performed by electrolytic etching. Roughening
In each of the samples, the surface of the steel plate had fine protrusions on the periphery.
Many pits formed across the entire surface
did it. Samples subjected to each surface roughening treatment were adjusted to pH 2 and bath temperature.
Immerse in a sulfuric acid aqueous solution at 90 ° C for 168 hours,
The corrosion weight loss was calculated from the weight measurement. In addition, each surface roughening process
The test piece cut from the applied stainless steel plate has a load of 0.
Contact with carbon electrode at 98MPa, stainless steel plate
/ Contact resistance between carbon electrodes was measured. Those results
Are also shown in Table 2. In the table, contact resistance: 7 mΩ · cmTwo
Below, corrosion weight loss: 0.5 g / cmTwoThe following are examples of the present invention.
Minutes. In addition, roughening treatment by alternating electrolytic etching
The sample is prepared in the electrolyte solution to be used in advance.
Equivalent to the target electrolytic potential by measuring the sword polarization curve
The current density was determined, and this was performed by constant current density electrolysis. Also,
Stainless steel after surface roughening by Auger electron spectrometer
Measure the surface of the board and, based on the obtained profile,
Read the strength of Cr, Fe and Cu, and
The power ratio was calculated. [0025]From the above results, it was found that Cu was contained in an amount of 0.5% by mass or more.
Use stainless steel plates that are within the range specified in the claims.
When alternating electrolytic etching is performed under the conditions, Cu
It can be seen that the concentration increases and the contact resistance decreases.
On the other hand, if the Cu content in the stainless steel sheet is low,
Even if alternating electrolytic etching under predetermined conditions is performed (test N
o. 7) There is no concentration of Cu in the film, and the contact resistance is reduced
I haven't. In addition, a predetermined amount of Cu
Even if a material containing
When electrolysis is performed under even lower conditions (Test Nos. 9, 10, 1)
1) The film may have been deposited once again because it was eluted.
The contact resistance has increased due to the low Cu concentration in the
Was. [0027]Example 2 In the case of No. 1 subjected to the surface roughening treatment in the same manner as in Example 1, 3,5 and 7
For the sample of
Built into the fuel cell. Humidified water for each fuel cell
While supplying element and oxygen, the current density was set to a constant value of 0.5.
A / mTwoAfter 100 hours of continuous operation of the fuel cell,
Remove the separator from the fuel cell and place it on the separator table.
Investigate the corrosion state by observing the surface and reduce the contact resistance.
It was measured. Table 3 shows the measurement results of the contact resistance. [0028] For the corrosion products, any sample
Was not observed. Sample No. 3 and 5
The fuel cell is used for the separator using stainless steel plate.
A sufficiently low contact resistance is maintained even after continuous operation for 100 hours.
Sample no. 7 stainless steel
For separators using steel plates, contact after use on the oxygen electrode side.
Tactile resistance was slightly higher. When the contact resistance increases,
The loss due to Joule heat increases, and as a fuel cell
This means that the power generation efficiency becomes worse. [0030] As described above, according to the present invention,
Roughening at least one side of the stainless steel sheet
A large number of pits with fine protrusions were formed on the entire surface
When using Cu as a stainless steel sheet material, 0.5% by mass or less
Use the above-mentioned components in a ferric chloride aqueous solution
Alternating current that performs anodic electrolysis and cathodic electrolysis alternately
By performing de-etching, it is excellent even after roughening
Excellent corrosion resistance and further reduced contact resistance
A stainless steel plate was obtained. Separate this steel plate
The Joule heat at the contact area
A fuel cell with low power generation and high power generation efficiency
it can.

【図面の簡単な説明】 【図1】 固体高分子膜を電解質として使用した燃料電
池の内部構造を説明する断面図(a)および分解斜視図
(b) 【図2】 Fe3+が50g/l、液温が50℃の塩化第
二鉄水溶液中で測定したSUS304のアノード・カソ
ード分極曲線
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [Figure 1] a polymer membrane cross-sectional view illustrating the internal structure of a fuel cell using as the electrolyte (a) and exploded perspective view (b) [2] Fe 3+ is 50 g / 1. Anode-cathode polarization curve of SUS304 measured in aqueous ferric chloride solution at 50 ° C

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮野 勉 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 鴨志田 真一 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 守田 芳和 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 和泉 圭二 大阪府堺市石津西町5番地 日新製鋼株式 会社技術研究所内 (72)発明者 八神 裕一 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 高橋 剛 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 梶川 義明 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 児玉 幸多 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 BB00 BB10 EE08 HH05 HH06    ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page    (72) Inventor Tsutomu Miyano             5 Ishizu Nishimachi, Sakai-shi, Osaka Nisshin Steel Co., Ltd.             Inside the company technology laboratory (72) Inventor Shinichi Kamoshida             5 Ishizu Nishimachi, Sakai-shi, Osaka Nisshin Steel Co., Ltd.             Inside the company technology laboratory (72) Inventor Yoshikazu Morita             5 Ishizu Nishimachi, Sakai-shi, Osaka Nisshin Steel Co., Ltd.             Inside the company technology laboratory (72) Inventor Keiji Izumi             5 Ishizu Nishimachi, Sakai-shi, Osaka Nisshin Steel Co., Ltd.             Inside the company technology laboratory (72) Inventor Yuichi Yagami             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Inside the car company (72) Inventor Takeshi Takahashi             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Inside the car company (72) Inventor Yoshiaki Kajikawa             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Inside the car company (72) Inventor Kota Kodama             1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Auto             Inside the car company F term (reference) 5H026 AA06 BB00 BB10 EE08 HH05                       HH06

Claims (1)

【特許請求の範囲】 【請求項1】 ステンレス鋼板の少なくとも片面を粗面
化処理して周縁に微細突起が林立した多数のピットを表
面全域に形成させる際、ステンレス鋼板素材としてCu
を0.5質量%以上含むものを使用し、塩化第二鉄水溶
液中で、+0.5VvsSCE以上の電位でのアノード
電解と、−0.2〜−0.8VvsSCEの間の電位で
のカソード電解とを交互に行う交番電解エッチングを施
すことを特徴とする低温型燃料電池用セパレータの製造
方法。
Claims 1. When forming a large number of pits having fine protrusions on the periphery by forming a rough surface on at least one surface of a stainless steel plate over the entire surface, the stainless steel plate material may be made of Cu.
Is used in an aqueous ferric chloride solution at an electric potential of +0.5 V vs. SCE and a cathodic electrolysis at a potential of -0.2 to -0.8 V vs. SCE in an aqueous ferric chloride solution. A method for producing a separator for a low-temperature fuel cell, wherein alternating electrolytic etching is performed alternately.
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