JP2005002411A

JP2005002411A - Corrosion-resistant metallic clad material for separator, and manufacturing method therefor

Info

Publication number: JP2005002411A
Application number: JP2003167216A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Tonoki; 達也外木; Masahiro Kiyofuji; 雅宏清藤; Mineo Wajima; 峰生和島
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2005-01-06

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a corrosion-resistant metallic clad material for a separator, which is superior in corrosion resistance and workability, and to provide a manufacturing method therefor. <P>SOLUTION: This metallic clad material comprises a core material 21 made of a ferritic stainless alloy containing 11-20% chromium, and a cladding layer 22 of titanium or a titanium alloy, which covers one side or both sides of the core material 21. The constitution enables the core material to be annealed at a comparatively low temperature, inhibits the formation of an intermetallic compound therein to the minimum, can minimize the formation of cracks in the cladding layer even when the metallic clad material is pressed to form a passage, because of having improved formability, and enables the metallic clad material to form a deep channel. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば固体高分子型燃料電池などに用いられるセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法に関し、特に、耐食性及び成形性に優れるセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は、固体高分子型燃料電池の模式的構成を示す。
固体高分子型（ＰＥＦＣ）燃料電池１は、後述する燃料極と空気極を備えた単セルからなり、必要とする出力電圧に相当するセル個数が一列に配置される。各セルの発電出力は、直列に接続して取り出される。１つのセル９は、セル間の仕切りとなるセパレータ２、セル間に配置された固体高分子電解質膜３、この固体高分子電解質膜３の片面に設けられた燃料極（水素極、負極、又は、アノードとも言う）４、固体高分子電解質膜３の他方の面に設けられた空気極（酸素極、正極、又はカソードとも言う）５を備えて構成されている。
【０００３】
セパレータ２は水素供給用通路（溝）６を有し、隣接するセパレータ７は酸素供給用通路（溝）８を有している。水素ガス及び酸素ガスは、それぞれ外部から図示せぬ供給路を通して水素供給用通路６及び酸素供給用通路８に導かれ、それぞれ燃料極４及び空気極５に供給される。固体高分子電解質膜３は、パーフロロカーボンスルフォン酸膜等による高分子イオン交換膜が用いられ、その両面には電極（白金系の触媒を添加）が接合されている。燃料極４及び空気極５には、多孔質炭素膜が用いられている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池１は、水素ガスを燃料、酸素ガスを酸化剤とし、水の電気分解と逆の反応を生じさせて電気エネルギーを生成する。
燃料極４側においては、次式に示す反応が生じる。
Ｈ_２ →２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
また、空気極５側では、次式に示す反応が生じる。
１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ（２）
更に、全反応は次式で表される。
Ｈ_２＋１／２Ｏ_２ →Ｈ_２Ｏ（３）
【０００５】
上式に示すように、燃料極４に水素イオンＨ^＋が生じるため、セパレータ２，７は耐酸性を有する必要がある。また、セパレータ２，７は、空気極５側において酸素に晒されるため、耐酸化性を有する必要もある。このようにセパレータ２，７には耐食性が要求される。さらに、セパレータ２，７の電気抵抗は、燃料電池の内部抵抗を低く抑えるために、低抵抗であることが望ましい。
【０００６】
従来、セパレータ２，７は、黒鉛を切削、又は黒鉛を樹脂モールドして製作されていたが、コストが高いため、プレス加工などで安価に製造できる金属材料のセパレータが望まれている。金属材料の場合、例えば、金属材料のコア材を覆う保護層にＴｉ（チタン）、Ｔｉ合金、Ｃｒ、Ｃｒ合金、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｚｒ合金、Ｈｆ（ハフニウム）、Ｈｆ合金、Ｖ（バナジウム）、Ｖ合金、Ｎｂ（ニオブ）、Ｎｂ合金、Ｔａ（タンタル）、及びＴａ合金の窒化物を用いたセパレータが用いられ、前記保護層により、耐食性を向上させたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
或いは、ステンレス鋼を基材とし、この基材表面にＴａ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔｉ、Ｎｉ−Ｃｒ合金のいずれかによる耐酸性皮膜を設け、更に、耐酸性皮膜上にＡｕ（金）、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）のいずれかによる導電性皮膜を形成してセパレータを製作し、ステンレス基材からの金属イオンの溶出を防止したものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００１−６６９４号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３５３８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のセパレータ用金属材料によると、耐食層（例えば、Ｔｉ）に欠陥があった場合、コア材から金属イオンが溶出し、溶出した金属イオンが固体高分子電解質膜（高分子イオン交換膜）と反応してＨ^＋イオン伝導性を劣化させ、電池特性を低下させることになる。このため、耐食層に欠陥があることは許されない。しかし、セパレータの製作に際し、水素等の燃料ガスや空気等の酸化ガスを流すための溝（流路）をプレス加工で設けようとすると、その溝が深い場合、耐食層に塑性加工によるクラックを生じることがある。クラックが生じれば、十分な耐食性を確保することは困難になる。
【００１０】
コア材にステンレス鋼を用いた場合、クラックが生じても、ある程度耐食性を維持することができる。しかし、耐食性が十分であるとは言えないので、ステンレス鋼のコア材の表面により耐食性に優れたＴｉを被覆することが考えられる。この場合において、ステンレス鋼は、焼きなまし熱処理温度が一般的に高い。また、Ｔｉクラッドステンレス鋼を所定の板厚まで圧延した場合、プレスを行う前に焼きなまし熱処理が必要になる。例えば、一般的なステンレス鋼であるＳＵＳ３０４をコア材に使用すると、１０００℃以上の熱処理温度が必要になる。このような高い温度で熱処理を行った場合、ステンレス鋼の鉄分と被覆層のＴｉが反応し、界面に金属間化合物の厚い層が生成される。金属間化合物は非常に脆く、金属間化合物が厚く生成した複合材は、プレス時に金属間化合物のクラックを起点として被覆層に多数のクラックを発生する。ステンレス鋼は、Ｔｉよりも耐食性が劣るため多数のクラックが生じれば、Ｔｉで被覆したことの効果が低減することになる。
【００１１】
したがって、本発明の目的は、耐食性及び加工性に優れたセパレータ用耐食金属クラッド材料及びその製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金によるコア材と、前記コア材の少なくとも片面にクラッドされたチタン又はチタン合金による被覆層を備えることを特徴とするセパレータ用耐食金属クラッド材料を提供する。
【００１３】
この構成によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金は、比較的低温度によりコア材を焼きなますことができ、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、通路を形成するためのプレスを行っても被覆層にクラックを発生させることがない。
【００１４】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、クロムを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金の少なくとも片面にチタン又はチタン合金による被覆層を圧延によりクラッドしてクラッド材を作製する工程と、前記クラッド材に７００〜８５０℃で熱処理を施す工程を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【００１５】
この方法によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材とすることにより、その後に実施される通路形成の際、７００〜８５０℃という低温度によりコア材を焼きなますことができるため、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、通路を形成するためのプレスを行っても被覆層にクラックを発生させることがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料をプレス加工して製作された燃料電池用セパレータを示す。図１は、図２のセパレータ２を上面方向から見た場合の横断面に相当する。そして、以下においては、図２に示した固体高分子型燃料電池に適用した場合について説明する。
【００１７】
セパレータ２０は、コア材２１と、このコア材２１の両面（又は片面）にＴｉによる被覆層２２を設けた複合材となっている。更に、必要に応じて、被覆層２２（Ｔｉ）の導電性を高めるため、被覆層２２にＡｕ（金）等をコーティングする。この複合材は成形によって両面に溝が設けられ、水素供給用通路２３及び酸素供給用通路２４が形成される。コア材２１には、Ｃｒを１１〜２０％含むフェライト系ステンレス合金が用いられる。１１〜２０％のＣｒを含むフェライト系ステンレス合金は、オーステナイト系ステンレスに比べ、比較的低温度で焼きなますことができる。なお、Ｃｒが１１％以下ではステンレスとしての耐食性が十分でなく、また、２０％以上では焼きなまし熱処理温度（以下、熱処理温度という）が高くなるため好ましくない。
【００１８】
熱処理温度は７００〜８５０℃が最適であり、これにより金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上し、プレス時のチタン層のクラックを防止することができる。仮にクラックが発生したとしても、その発生数はオーステナイト系ステンレスのときに比べて大幅に減少するので、溶出量としては小さく高分子イオン交換膜の性能を落とすことがない。７００℃以下の温度では、Ｔｉによる被覆層２２を十分焼きなますことができず、成形加工が難しくなり、被覆層２２に多数のクラックを発生する。また、８５０℃以上の温度では、金属間化合物が厚く生成するため、７００℃以下の場合と同様に多くのクラックが発生する。また、上記温度範囲で複合材を熱処理すれば、ステンレス鋼によるコア材も焼きなますことができる。
【００１９】
上記の構成により、本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料を用いて製作された燃料電池用セパレータは、以下の特性を備えることが可能になる。
（１）良好な耐食性を有する。
（２）経年による電気抵抗の変化が少ない。
（３）良好な加工性を有する。
（４）低コストが可能。
（５）高い疲労強度及び良好な耐久性を備える。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の一実施例について説明する。
本実施例においては、コア材２１として、板状のフェライト系ステンレス鋼のＳＵＳ４３０を用いた。冷間圧延法によって５０％以上の加工度を加えて純Ｔｉをコア材２１の両面にクラッドし、被覆層２２を形成した。被覆層２２は、更に数回の圧延を行って０．３ｍｍの厚みにした。Ｔｉ層：ステンレス層：Ｔｉ層の比率は１：８：１とした。このクラッド材を各温度で熱処理した後、プレス法により水素供給用通路２３と酸素供給用通路２４を成形した。通路２３，２４の深さは０．６ｍｍとした。更に、このような構成のセパレータ２０を用いて図２に示したような固体高分子型燃料電池を構成し、水素及び空気をそれぞれのセパレータ（２，７）に流して発電試験を行うことにより、溶出性のテストを行った。また、比較のため、コア材が純Ｆｅとオーステナイト系ステンレスのＳＵＳ３０４によるクラッド材についても同ように製作し、発電試験による溶出性を調査した。なお、Ｔｉクラッド材はそのままでは、すぐに表面に緻密な酸化膜を生じて導電性が低下してしまうため、導電性の確保を目的として約０．１μｍのＡｕ層を蒸着により表面に形成した。
【００２１】
表１は本発明による効果を調査した結果を示し、表２は比較例による効果を調査した結果を示す。なお、どちらも水素供給用通路２３と酸素供給用通路２４は深さ０．６ｍｍとした。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表１から明らかなように、本実施例では、コア材２１にＳＵＳ４３０のステンレス鋼を用いたことにより、７００〜８５０℃の熱処理温度で焼きなますことができた。このため、金属間化合物の生成が抑えられ、クラックの発生数は１〜２個と非常に少なくすることができた。この程度のクラック数であれば、ＳＵＳ４３０自体が備える耐食性によって溶出量を十分に小さくでき、電池特性の低下が抑えられる。
【００２４】
【表２】

【００２５】
一方、表２から明らかなように、Ｔｉ／ＳＵＳ４３０／Ｔｉの構成による比較例１では、６５０℃と９００℃で熱処理を行ったが、この温度ではクラックが多数発生し、溶出によって電池特性が大きく低下した。更に、Ｔｉ／ＳＵＳ３０４／Ｔｉの構成の比較例２は、７５０℃の熱処理では焼きなますことができず、プレス時に被覆層２２に多数のクラックが生じた。また、比較例２において、焼きなましが可能な１０００℃で熱処理を行ったところ、厚い金属間化合物層が生じ、比較例２と同ようにプレス時に多数のクラックが生じた。多数のクラックが生じたことによってＳＵＳ３０４の溶出量が多くなり、電池特性の低下が見られた。また、比較例３のＴｉ／Ｆｅ／Ｔｉの構成では、７５０℃の熱処理で焼きなましできるため、金属間化合物の生成も少なく、Ｔｉ層のクラック数も少ないが、Ｆｅは耐食性に劣るため、僅かなクラック数でも大きな電池特性の低下がおきた。
【００２６】
上記の説明においては、導電性を確保するために被覆層２２にＡｕをコーティングしたが、被覆層２２（Ｔｉ）の導電性が保たれ、かつ、溶出しないコーティングであれば、Ｐｔ等の貴金属、ＴｉＮ、ＴｉＢ等の導電性セラミック、黒鉛等の炭素であっても構わない。
【００２７】
また、上記実施例においては、燃料ガスに水素を使用した固体高分子型燃料電池について説明したが、本発明に係るセパレータは、燃料としてメタノール等の液体を流す構成の燃料電池や他の方式の燃料電池に対しても適用可能である。或いは、酸素供給用通路や水素供給用通路のための溝を必要とするセパレータに適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上より明らかなように、本発明のセパレータ用耐食金属クラッド材料によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材に用いたことにより、比較的低温度によりコア材を焼きなますことが可能になり、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上するため、燃料電池用セパレータのガス通路を形成するためのプレスを行っても被覆層におけるクラックの発生を最小にでき、深い流路の成形が可能になる。また、フェライト系ステンレス合金によるコア材は、耐食性に優れるため、たとえクラックが発生しても金属イオンの溶出が防止され、高分子イオン交換膜の劣化を防止できるため、燃料電池の高寿命化を図ることができる。
【００２９】
また、本発明のセパレータ用耐食金属クラッド材料の製造方法によれば、１１〜２０％のクロムを含むフェライト系ステンレス合金をコア材とし、このコア材にチタン又はチタン合金による被覆層を圧延によりクラッドしてクラッド材を作製し、このクラッド材に７００〜８５０℃で熱処理を施すようにしたので、７００〜８５０℃という低温度によりコア材を焼きなますことができる結果、金属間化合物の生成が最小限に抑えられ、成形性が向上することにより、ガス通路を形成するためのプレス加工を行っても被覆層にクラックの発生を最小にでき、深い流路の成形が可能になる。また、フェライト系ステンレス合金によるコア材は、耐食性に優れるため、たとえクラックが発生しても金属イオンの溶出が防止され、高分子イオン交換膜の劣化を防止できるため、燃料電池の高寿命化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るセパレータ用耐食金属クラッド材料を用いて製作された燃料電池用セパレータを示す断面図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の模式的構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１固体高分子型（ＰＥＦＣ）燃料電池
２セパレータ
３固体高分子電解質膜
４燃料極
５空気極
６水素供給用通路
７セパレータ
８酸素供給用通路
９セル
２０セパレータ
２１コア材
２２被覆層
２３水素供給用通路
２４酸素供給用通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a corrosion-resistant metal clad material for a separator used in, for example, a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same, and more particularly to a corrosion-resistant metal clad material for a separator excellent in corrosion resistance and formability and a method for producing the same.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows a schematic configuration of a solid polymer fuel cell.
The polymer electrolyte (PEFC) fuel cell 1 is composed of a single cell having a fuel electrode and an air electrode, which will be described later, and the number of cells corresponding to the required output voltage is arranged in a line. The power output of each cell is taken out in series. One cell 9 includes a separator 2 that serves as a partition between cells, a solid polymer electrolyte membrane 3 disposed between the cells, and a fuel electrode (hydrogen electrode, negative electrode, or electrode provided on one side of the solid polymer electrolyte membrane 3. 4), and an air electrode (also referred to as an oxygen electrode, a positive electrode, or a cathode) 5 provided on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 3.
[0003]
The separator 2 has a hydrogen supply passage (groove) 6, and the adjacent separator 7 has an oxygen supply passage (groove) 8. Hydrogen gas and oxygen gas are led from the outside through a supply path (not shown) to the hydrogen supply path 6 and the oxygen supply path 8, respectively, and are supplied to the fuel electrode 4 and the air electrode 5, respectively. As the solid polymer electrolyte membrane 3, a polymer ion exchange membrane such as a perfluorocarbon sulfonic acid membrane is used, and electrodes (platinum-based catalyst added) are joined to both surfaces thereof. A porous carbon membrane is used for the fuel electrode 4 and the air electrode 5.
[0004]
The polymer electrolyte fuel cell 1 uses hydrogen gas as fuel and oxygen gas as an oxidant, and generates electric energy by causing a reaction opposite to the electrolysis of water.
On the fuel electrode 4 side, the reaction shown in the following formula occurs.
H ₂ → 2H ⁺ + 2e ⁻ (1)
On the air electrode 5 side, the reaction shown in the following formula occurs.
1 / 2O ₂ + 2H ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ O (2)
Further, the total reaction is represented by the following formula.
H ₂ + 1 / 2O ₂ → H ₂ O (3)
[0005]
As shown in the above equation, since hydrogen ions H ⁺ are generated in the fuel electrode 4, the separators 2 and 7 need to have acid resistance. Further, since the separators 2 and 7 are exposed to oxygen on the air electrode 5 side, they need to have oxidation resistance. Thus, the separators 2 and 7 are required to have corrosion resistance. Furthermore, the electrical resistance of the separators 2 and 7 is desirably low in order to keep the internal resistance of the fuel cell low.
[0006]
Conventionally, the separators 2 and 7 have been manufactured by cutting graphite or resin molding graphite. However, since the cost is high, a separator made of a metal material that can be manufactured at low cost by pressing or the like is desired. In the case of a metal material, for example, Ti (titanium), Ti alloy, Cr, Cr alloy, Zr (zirconium), Zr alloy, Hf (hafnium), Hf alloy, V (vanadium) are applied to the protective layer covering the core material of the metal material. , Separators using nitrides of V alloy, Nb (niobium), Nb alloy, Ta (tantalum), and Ta alloy are used, and the protective layer has improved the corrosion resistance (for example, Patent Document 1).
[0007]
Alternatively, stainless steel is used as a base material, and an acid-resistant film made of Ta, Zr, Nb, Ti, or Ni—Cr alloy is provided on the surface of the base material, and Au (gold), Pt ( A separator in which a conductive film made of either platinum) or Pd (palladium) is formed to produce a separator to prevent elution of metal ions from a stainless steel substrate has been proposed (for example, see Patent Document 2).
[0008]
[Patent Document 1]
JP 2001-6694 A [Patent Document 2]
JP 2001-93538 A
[Problems to be solved by the invention]
However, according to conventional metal materials for separators, when a corrosion-resistant layer (for example, Ti) has a defect, metal ions are eluted from the core material, and the eluted metal ions are solid polymer electrolyte membranes (polymer ion exchange membranes). ) To deteriorate the H ⁺ ion conductivity and lower the battery characteristics. For this reason, it is not allowed that the corrosion-resistant layer has a defect. However, when manufacturing a separator, if a groove (flow path) for flowing a fuel gas such as hydrogen or an oxidizing gas such as air is to be formed by pressing, if the groove is deep, cracks due to plastic working will occur in the corrosion-resistant layer. May occur. If cracks occur, it becomes difficult to ensure sufficient corrosion resistance.
[0010]
When stainless steel is used for the core material, even if cracks occur, corrosion resistance can be maintained to some extent. However, since it cannot be said that the corrosion resistance is sufficient, it is conceivable to coat Ti with excellent corrosion resistance on the surface of the stainless steel core material. In this case, stainless steel generally has a high annealing heat treatment temperature. Further, when Ti clad stainless steel is rolled to a predetermined thickness, an annealing heat treatment is required before pressing. For example, when SUS304, which is a general stainless steel, is used as a core material, a heat treatment temperature of 1000 ° C. or higher is required. When heat treatment is performed at such a high temperature, the iron content of the stainless steel reacts with the Ti of the coating layer, and a thick layer of intermetallic compound is generated at the interface. An intermetallic compound is very brittle, and a composite material in which an intermetallic compound is formed thickly generates many cracks in the coating layer starting from cracks of the intermetallic compound during pressing. Since stainless steel is inferior in corrosion resistance to Ti, if a large number of cracks occur, the effect of covering with Ti will be reduced.
[0011]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a corrosion-resistant metal clad material for a separator excellent in corrosion resistance and workability and a method for producing the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides, as a first feature, a core material made of a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium, and a coating made of titanium or a titanium alloy clad on at least one surface of the core material. There is provided a corrosion-resistant metal clad material for a separator characterized by comprising a layer.
[0013]
According to this configuration, the ferritic stainless steel alloy containing 11 to 20% chromium can anneal the core material at a relatively low temperature, the generation of intermetallic compounds is minimized, and the formability is reduced. By improving, even if the press for forming a channel | path is performed, a crack is not generated in a coating layer.
[0014]
In order to achieve the above object, the present invention has a second feature in that a clad material is obtained by clad titanium or a coating layer of titanium alloy on at least one surface of a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% of chromium by rolling. The manufacturing method of the separator for fuel cells characterized by including the process of producing this, and the process of heat-processing at 700-850 degreeC to the said clad material is provided.
[0015]
According to this method, the core material is annealed at a low temperature of 700 to 850 ° C. at the time of the passage formation performed later by using a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium as the core material. Therefore, generation of an intermetallic compound is suppressed to a minimum, and formability is improved, so that cracks are not generated in the coating layer even when a press for forming a passage is performed.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a fuel cell separator manufactured by pressing a corrosion-resistant metal clad material for a separator according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 corresponds to a cross section when the separator 2 of FIG. 2 is viewed from above. And below, the case where it applies to the polymer electrolyte fuel cell shown in FIG. 2 is demonstrated.
[0017]
The separator 20 is a composite material in which a core material 21 and a coating layer 22 made of Ti are provided on both surfaces (or one surface) of the core material 21. Further, if necessary, the coating layer 22 is coated with Au (gold) or the like in order to increase the conductivity of the coating layer 22 (Ti). The composite material is formed with grooves on both sides by molding to form a hydrogen supply passage 23 and an oxygen supply passage 24. For the core material 21, a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% of Cr is used. Ferritic stainless steel alloys containing 11-20% Cr can be annealed at a relatively low temperature compared to austenitic stainless steels. Note that if Cr is 11% or less, the corrosion resistance as stainless steel is not sufficient, and if it is 20% or more, the annealing heat treatment temperature (hereinafter referred to as heat treatment temperature) becomes high.
[0018]
The heat treatment temperature is optimally 700 to 850 ° C., thereby minimizing the formation of intermetallic compounds, improving the formability and preventing cracks in the titanium layer during pressing. Even if cracks occur, the number of occurrences is greatly reduced compared to that of austenitic stainless steel, so the amount of elution is small and the performance of the polymer ion exchange membrane is not degraded. At a temperature of 700 ° C. or lower, the coating layer 22 made of Ti cannot be sufficiently annealed, making the molding process difficult, and a large number of cracks are generated in the coating layer 22. Moreover, since the intermetallic compound is formed thick at a temperature of 850 ° C. or higher, many cracks are generated as in the case of 700 ° C. or lower. Moreover, if the composite material is heat-treated in the above temperature range, the core material made of stainless steel can also be annealed.
[0019]
With the above configuration, the separator for a fuel cell manufactured using the corrosion-resistant metal clad material for a separator according to the embodiment of the present invention can have the following characteristics.
(1) It has good corrosion resistance.
(2) Little change in electrical resistance over time.
(3) It has good workability.
(4) Low cost is possible.
(5) Provide high fatigue strength and good durability.
[0020]
【Example】
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, plate-like ferritic stainless steel SUS430 is used as the core material 21. 50% or more of the workability was added by a cold rolling method, and pure Ti was clad on both surfaces of the core material 21 to form a coating layer 22. The coating layer 22 was further rolled several times to a thickness of 0.3 mm. The ratio of Ti layer: stainless layer: Ti layer was 1: 8: 1. After this clad material was heat-treated at each temperature, a hydrogen supply passage 23 and an oxygen supply passage 24 were formed by a pressing method. The depth of the

passages

23 and 24 was 0.6 mm. Furthermore, by using the separator 20 having such a configuration, a polymer electrolyte fuel cell as shown in FIG. 2 is constructed, and hydrogen and air are passed through the respective separators (2, 7) to perform a power generation test. The elution test was conducted. For comparison, a clad material made of SUS304 having a core material of pure Fe and austenitic stainless steel was also manufactured in the same manner, and the elution property by a power generation test was investigated. If the Ti clad material is left as it is, a dense oxide film is formed on the surface immediately and the conductivity is lowered. Therefore, an Au layer of about 0.1 μm is formed on the surface by vapor deposition for the purpose of ensuring conductivity. .
[0021]
Table 1 shows the results of investigating the effects of the present invention, and Table 2 shows the results of investigating the effects of the comparative example. In both cases, the hydrogen supply passage 23 and the oxygen supply passage 24 have a depth of 0.6 mm.
[0022]
[Table 1]

[0023]
As can be seen from Table 1, in this example, SUS430 stainless steel was used for the core material 21, so that annealing could be performed at a heat treatment temperature of 700 to 850 ° C. For this reason, the production | generation of the intermetallic compound was suppressed and the generation | occurrence | production number of the crack was able to be very few with 1-2 pieces. With this number of cracks, the elution amount can be made sufficiently small due to the corrosion resistance of SUS430 itself, and the deterioration of the battery characteristics can be suppressed.
[0024]
[Table 2]

[0025]
On the other hand, as is apparent from Table 2, in Comparative Example 1 having the structure of Ti / SUS430 / Ti, heat treatment was performed at 650 ° C. and 900 ° C., but many cracks were generated at this temperature, and the battery characteristics were large due to elution. Declined. Further, Comparative Example 2 having a structure of Ti / SUS304 / Ti could not be annealed by heat treatment at 750 ° C., and many cracks were generated in the coating layer 22 during pressing. In Comparative Example 2, when heat treatment was performed at 1000 ° C. where annealing was possible, a thick intermetallic compound layer was formed, and many cracks were generated during pressing as in Comparative Example 2. Due to the occurrence of a large number of cracks, the amount of SUS304 eluted was increased, and a decrease in battery characteristics was observed. Further, in the structure of Ti / Fe / Ti in Comparative Example 3, since it can be annealed by heat treatment at 750 ° C., there is little generation of intermetallic compounds and the number of cracks in the Ti layer is small, but Fe is inferior in corrosion resistance, so it is slightly Even with the number of cracks, the battery characteristics deteriorated significantly.
[0026]
In the above description, the coating layer 22 is coated with Au in order to ensure conductivity. However, if the coating of the coating layer 22 (Ti) is maintained and does not elute, a noble metal such as Pt, It may be a conductive ceramic such as TiN or TiB, or carbon such as graphite.
[0027]
In the above embodiment, the polymer electrolyte fuel cell using hydrogen as the fuel gas has been described. However, the separator according to the present invention is a fuel cell having a configuration in which a liquid such as methanol is allowed to flow as a fuel, or other types of fuel cells. The present invention can also be applied to a fuel cell. Alternatively, the present invention can be applied to a separator that requires a groove for an oxygen supply passage or a hydrogen supply passage.
[0028]
【The invention's effect】
As is clear from the above, according to the corrosion-resistant metal clad material for a separator of the present invention, the core material is baked at a relatively low temperature by using a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium as the core material. Since the formation of intermetallic compounds is minimized and the moldability is improved, cracks can be generated in the coating layer even if pressing is performed to form gas passages for fuel cell separators. And a deep flow path can be formed. In addition, the core material made of a ferritic stainless steel alloy has excellent corrosion resistance, so that even if cracks occur, the elution of metal ions can be prevented and the polymer ion exchange membrane can be prevented from deteriorating, thus extending the life of the fuel cell. Can be planned.
[0029]
Further, according to the method for manufacturing a corrosion-resistant metal clad material for a separator of the present invention, a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium is used as a core material, and a coating layer of titanium or a titanium alloy is clad by rolling on the core material. Thus, the clad material was produced, and the clad material was heat treated at 700 to 850 ° C., so that the core material can be annealed at a low temperature of 700 to 850 ° C. By minimizing the moldability and improving the moldability, it is possible to minimize the generation of cracks in the coating layer even when the press working for forming the gas passage is performed, and a deep flow path can be formed. In addition, the core material made of a ferritic stainless steel alloy has excellent corrosion resistance, so that even if cracks occur, elution of metal ions is prevented, and deterioration of the polymer ion exchange membrane can be prevented, thus extending the life of the fuel cell. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a separator for a fuel cell manufactured using a corrosion-resistant metal clad material for a separator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a solid polymer fuel cell.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer type (PEFC) fuel cell 2 Separator 3 Solid polymer electrolyte membrane 4 Fuel electrode 5 Air electrode 6 Hydrogen supply passage 7 Separator 8 Oxygen supply passage 9 Cell 20 Separator 21 Core material 22 Covering layer 23 Hydrogen supply Passage 24 Oxygen supply passage

Claims

A core material made of a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium;
A corrosion-resistant metal clad material for a separator, comprising a coating layer made of titanium or a titanium alloy clad on at least one surface of the core material.

The corrosion-resistant metal clad material for a separator according to claim 1, wherein the coating layer is coated with gold, a noble metal, a conductive ceramic, or carbon.

A step of producing a clad material by clad rolling a coating layer of titanium or a titanium alloy on at least one surface of a ferritic stainless alloy containing 11 to 20% chromium;
The manufacturing method of the corrosion-resistant metal clad material for separators characterized by including the process of heat-processing at 700-850 degreeC to the said clad material.

The step of producing the clad material includes a process of coating the coating layer with gold, a noble metal, a conductive ceramic, or carbon after removing the oxide on the surface of the coating layer. The manufacturing method of the corrosion-resistant metal clad material for separators of description.