JP2007073432A - Separator for fuel cell, fuel cell stack, fuel cell vehicle, and method of manufacturing separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、及び燃料電池用セパレータの製造方法に関し、特にステンレス鋼を用いて形成する固体高分子電解質型の燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell separator, a fuel cell stack, a fuel cell vehicle, and a method for manufacturing a fuel cell separator, and more particularly to a solid polymer electrolyte fuel cell separator formed using stainless steel.
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。 From the viewpoint of protecting the global environment, it has been studied to use a fuel cell as a power source for a motor that operates in place of an internal combustion engine of an automobile, and to drive the automobile with this motor. Since this fuel cell does not require the use of fossil fuels that have a problem of resource depletion, it does not generate exhaust gas or the like. In addition, the fuel cell has excellent characteristics such that it hardly generates noise, and further, the energy recovery efficiency can be increased as compared with other energy engines.
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。 Fuel cells include a solid polymer electrolyte type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type, depending on the type of electrolyte used. One of them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), uses a polymer electrolyte membrane having a proton exchange group in the molecule as an electrolyte, and saturates the polymer electrolyte membrane with water. In other words, the battery functions as a proton conductive electrolyte. A solid polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature and has high power generation efficiency. Furthermore, since the solid polymer electrolyte fuel cell is small and lightweight together with other ancillary facilities, various uses including those for mounting on electric vehicles are expected.
上記固体高分子電解質型燃料電池は燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード(水素極)とカソード(酸素極)により構成される。 The solid polymer electrolyte fuel cell has a fuel cell stack. The fuel cell stack is configured integrally by stacking a plurality of single cells serving as a basic unit for generating power by an electrochemical reaction, sandwiching both end portions with end flanges, and pressurizing and holding with fastening bolts. The single cell is composed of a polymer electrolyte membrane, an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) bonded to both sides thereof.
図11は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図11に示すように、単セル80は、固体高分子電解質膜81の両側に酸素極82及び水素極83を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極82及び水素極83は、反応膜84及びガス拡散層85(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜84は固体高分子電解質膜81に接触している。酸素極82及び水素極83の両側には、積層のために酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路が形成されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 11, the
上記構成の単セル80は、固体高分子電解質膜81の両側に酸素極82、水素極83を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ86、87を配置して製造する。上記単セル80から構成される燃料電池では、水素極83側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸素極82側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜81と反応膜84との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。
In the
上記構成の単セル80において、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散層85を介して反応膜84側に供給され、各反応膜84において以下に示す反応が起こる。
In the
水素極側:H2 →2H++2e− ・・・式(1)
酸素極側:(1/2)O2+2H++ 2e−→H2O ・・・式(2)
水素極83側に水素ガスが供給されると、式(1)の反応が進行して、H+とe−とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜81内を移動して酸素極82側に流れ、e−は負荷88を通って水素極83から酸素極82に流れる。酸素極82側では、H+とe−と供給された酸素ガスとにより、式(2)の反応が進行して、電力が生成する。
Hydrogen electrode side: H 2 → 2H + + 2e − (1)
Oxygen electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
When hydrogen gas is supplied to the
上述したように、燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池用セパレータにはpH2〜3程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は80〜90[℃]と高温であり、また、水素極ではH+が生じるだけでなく、酸素や空気等が通過する酸素極は、標準水素極電位に対して0.6〜1[VvsSHE]程度の電位が負荷される酸化性環境下にある。このため、酸素極及び水素極と同様に、燃料電池用セパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池用セパレータが強酸性の酸化性環境下においても電気伝導性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式(2)の反応により生成した水に溶出することにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を測定する必要がある。 As described above, since the fuel cell separator has a function of electrically connecting each single cell, it is required to have good electrical conductivity and low contact resistance with a constituent material such as a gas diffusion layer. . The solid polymer electrolyte membrane is formed of a polymer having a large number of sulfonic acid groups, and has proton conductivity because the sulfonic acid groups are used for proton exchange in a wet state. Since the polymer electrolyte membrane is strongly acidic, the fuel cell separator is required to have corrosion resistance against sulfuric acid acidity of about pH 2-3. Further, the temperature of each gas supplied to the fuel cell is as high as 80 to 90 [° C.], and not only H + is generated at the hydrogen electrode, but the oxygen electrode through which oxygen, air, etc. pass is standard hydrogen. It is in an oxidizing environment in which a potential of about 0.6 to 1 [Vvs SHE] is loaded with respect to the extreme potential. For this reason, like the oxygen electrode and the hydrogen electrode, the fuel cell separator is required to have corrosion resistance that can withstand a strongly acidic atmosphere. The corrosion resistance required here means the durability with which the fuel cell separator can maintain its electric conductivity even in a strongly acidic oxidizing environment. In other words, the cation elutes in the humidified water or the water generated by the reaction of the formula (2), so that the cation binds to the sulfonic acid group that should originally be a path for protons to occupy the sulfonic acid group, and the power generation of the electrolyte membrane Corrosion resistance needs to be measured in an environment that degrades properties.
そこで、燃料電池用セパレータには、電気伝導性が良く耐食性に優れたステンレス鋼又は工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがされている。ステンレス鋼は、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。 Therefore, an attempt has been made to use a titanium material such as stainless steel or industrial pure titanium having excellent electrical conductivity and excellent corrosion resistance as a fuel cell separator. Stainless steel has a dense passive film formed on its surface, such as an oxide, hydroxide or hydrate of which chromium is the main metal element. Similarly, a dense passive film such as titanium oxide, titanium hydroxide or a hydrate thereof is formed on the surface of titanium. For this reason, stainless steel and titanium have good corrosion resistance.
しかし、上記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率の低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。 However, the above-mentioned passive film produces contact resistance with carbon paper that is usually used as a gas diffusion layer. The overvoltage caused by resistance polarization in the fuel cell can recover the exhaust heat by cogeneration or the like in the stationary application, thereby improving the total thermal efficiency. On the other hand, in automobile applications, heat loss due to contact resistance can only be thrown out of the radiator through the cooling water, so that if the contact resistance increases, the power generation efficiency decreases. In addition, a decrease in power generation efficiency is equivalent to an increase in heat generation, and it becomes necessary to equip a larger cooling system. Therefore, an increase in contact resistance is an important issue to be solved.
燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパ間の接触抵抗が40[mΩ・cm2]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。 In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V], but the voltage that can be actually taken out decreases due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage drops as the extracted current increases. . Further, in automotive applications, since it is desired to increase the output density per unit volume / weight, it is used at a higher current density side than stationary use, for example, at a current density of 1 [A / cm 2 ]. When the current density is 1 [A / cm 2 ], it is considered that if the contact resistance between the separator and the carbon paper is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, the efficiency reduction due to the contact resistance can be suppressed.
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献1参照)。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池用セパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、貴金属を燃料電池用セパレータ表面にメッキ又はコーティングさせると製造時に手間がかかるだけではなく、素材コストもかかる。 However, if the surface of the fuel cell separator is plated or coated with a noble metal, not only labor is required during production but also material costs are incurred.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、第1の発明である燃料電池用セパレータは、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素を含む合金からなる基材の表面を窒化処理することにより得られる燃料電池用セパレータであって、基材の表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層を備え、基材は窒化層との界面領域に窒素を含有することを要旨とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and the fuel cell separator according to the first invention is made of an alloy containing a transition metal element selected from Fe, Cr, Ni and Mo. A separator for a fuel cell obtained by nitriding the surface of a base material, comprising a nitride layer having a cubic crystal structure in the depth direction from the surface of the base material, wherein the base material is an interface region with the nitride layer The main point is to contain nitrogen.
第2の発明である燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素と、0.1[%]以上の濃度をの窒素とを含む合金からなる基材の表面を窒化処理する窒化処理工程を有することを要旨とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a fuel cell separator comprising an alloy containing a transition metal element selected from Fe, Cr, Ni and Mo and nitrogen having a concentration of 0.1% or more. The gist is to have a nitriding treatment step of nitriding the surface of the substrate.
第3の発明である燃料電池スタックは、上記第1の発明に係る燃料電池用セパレータを有することを要旨とする。 The gist of a fuel cell stack according to a third aspect of the invention is that it includes the fuel cell separator according to the first aspect of the invention.
第4の発明である燃料電池車輌は、上記第3の発明に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを要旨とする。 The gist of a fuel cell vehicle according to a fourth invention is that the fuel cell stack according to the third invention is provided as a power source.
第1の発明によれば、セパレータと電極との間で発生する接触抵抗を低く抑えて導電性に優れ、その上、強酸性雰囲気においても化学的に安定で耐食性にも優れる燃料電池用セパレータを提供することができる。 According to the first aspect of the invention, there is provided a fuel cell separator that is excellent in conductivity by suppressing a contact resistance generated between a separator and an electrode, and that is chemically stable and excellent in corrosion resistance even in a strongly acidic atmosphere. Can be provided.
第2の発明によれば、高性能の燃料電池用セパレータの製造が容易になる。 According to the second invention, it becomes easy to manufacture a high-performance fuel cell separator.
第3の発明によれば、高性能の燃料電池スタックが得られ、かつ小型化及び低コスト化が可能となる。 According to the third invention, a high-performance fuel cell stack can be obtained, and miniaturization and cost reduction can be achieved.
第4の発明によれば、小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを搭載することにより、走行距離が長くなると共にスタイリングの自由度を確保することができる。 According to the fourth aspect of the invention, by mounting the fuel cell stack that is reduced in size and cost, it is possible to increase the travel distance and to ensure the freedom of styling.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両及び燃料電池用セパレータの製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。 Hereinafter, a fuel cell separator, a fuel cell stack, a fuel cell vehicle, and a method for manufacturing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an example applied to a polymer electrolyte fuel cell.
(燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック)
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池スタック1の詳細な構成を模式的に示す燃料電池スタック1の展開図である。
(Fuel cell separator and fuel cell stack)
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell stack configured by using a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a development view of the
図2に示すように、燃料電池スタック1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セル2と燃料電池用セパレータ3とを交互に複数個積層して構成される。各単セル2は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを形成した膜電極接合体からなり、膜電極接合体の両側に燃料電池用セパレータ3を配置して、燃料電池用セパレータ3内部に酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを各々形成する。固体高分子型電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜(ナフィオン1128(登録商標)、デュポン株式会社)等を使用することができる。単セル2と燃料電池用セパレータ3とを積層した後、両端部にエンドフランジ4を配置して、外周部を締結ボルト5により締結して燃料電池スタック1を構成する。また、燃料電池スタック1には、各単セル2に水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。
As shown in FIG. 2, the
図2に示した燃料電池用セパレータ3の模式図を図3に示す。図3(a)は、燃料電池用セパレータ3の模式的斜視図、図3(b)は、燃料電池用セパレータ3のIIIb-IIIb線断面図、図3(c)は、燃料電池用セパレータ3のIIIc-IIIc線断面図、図3(d)は、燃料電池用セパレータ3他の例を示す断面図である。図3に示すように、燃料電池用セパレータ3は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素を含む合金からなる基材10からなり、基材10の表面を窒化処理することにより得られ、基材10の表面10aの深さ方向に形成されている立方晶の結晶構造を有する窒化層11と、窒化されていない未窒化層である基層12からなる。基材10は窒化層11と基層12との界面領域10bに窒素を含有する。燃料電池用セパレータ3には、プレス成形により断面矩形状の燃料又は酸化剤の溝状の通路13が形成されている。通路13と通路13との間には、通路13と通路13で画成された平板部14を備え、通路13及び平板部14の外面に沿って立方晶の窒化層11が延在している。平板部14は、燃料電池用セパレータ3と単セル2とを交互に積層した際に隣接する固体高分子膜上のガス拡散層に接触する。図3では説明の便宜上基材10の表面10a、つまり窒化層11の表面を直線で記載しているが、窒化層11の表面には複数の開裂がある。
FIG. 3 shows a schematic diagram of the
本実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)及びMo(モリブデン)の中から選ばれた遷移金属元素を含む合金を基材として用いており、基材の表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層を備えるため、窒化層中の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、金属原子間には金属結合が形成されているため、電気伝導性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。また、立方晶の結晶構造を有する窒化層は燃料電池として通常使用されるpH2〜3の強酸性雰囲気においても化学的に安定であるため耐食性に優れる。このため、燃料電池用セパレータとカーボンペーパとの間の接触抵抗を低くおさえ、強酸性雰囲気においても継続的に良好な電気伝導性を示す燃料電池用セパレータが得られる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。
In the fuel cell separator according to the present embodiment, an alloy containing a transition metal element selected from Fe (iron), Cr (chromium), Ni (nickel) and Mo (molybdenum) is used as a base material. In order to provide a nitride layer having a cubic crystal structure in the depth direction from the surface of the substrate, the transition metal atom in the nitride layer forms a bond with a high affinity with the nitrogen atom. In addition, since a metal bond is formed between the metal atoms, a fuel cell separator having excellent electrical conductivity can be obtained. Further, the nitrided layer having a cubic crystal structure is chemically stable even in a strongly acidic atmosphere of
また、基材は窒化層との界面領域に窒素を含有するため、さらに耐食性に優れ、窒化層に形成された開裂から金属イオンの溶出が低減する。基材が窒化層との界面領域に窒素を含有するためには、図3(c)に示すように基材10自体が窒素を含有する、つまり未窒化層である基層12全体が窒素を含有していることが好ましく、また、図3(d)に示すように、基材10が窒素を含有する層12aと窒素を含有しない層12bを有し、窒化層11が窒素を含有する層12a側に形成されていても良い。
Moreover, since the base material contains nitrogen in the interface region with the nitride layer, the substrate is further excellent in corrosion resistance, and elution of metal ions is reduced due to the cleavage formed in the nitride layer. In order for the base material to contain nitrogen in the interface region with the nitrided layer, the
窒化層は硬く脆いため、図4(a)、(b)に示すように、窒化層には、窒化層欠陥部として開裂が形成される。図4(a)は、基材10が窒化層11との界面領域10bに窒素を含有する例である。図4(a)に示すように、窒化層11には基層12に含まれる窒素濃度n1%(ここでは0.2%)と、窒化処理により基材10に浸透した窒素の濃度n2%を足したn1+n2%の窒素が含まれている。窒素濃度を示す曲線はl1、l2、l3、l4からなり、領域Aは基材10の窒化層11との界面領域10bを示す。領域Aでは役0.2%の窒素濃度を有する。窒化層11には、例えば微細な亀裂15a、15b及び微細なピット15c等の窒化層欠陥部として開裂が形成される。この開裂は、亀裂15aのように窒化層11の途中まで裂けているものの他に、亀裂15b及びピット15cのように開裂が窒化層11を縦通し、基層12に及ぶものがある。開裂が窒化層11を縦通し基層12に及ぶ場合には、窒化されていない基層12が露出する。この場合には、基材10の窒化層11との界面領域10bに窒素を含有するため、基層12が露出しても金属イオンの溶出は抑えられる。これは、窒化層欠陥部でアンモニアを生成し、欠陥内の酸性雰囲気を中和する効果が働き、その結果、基層露出部からのイオン溶出を抑制するためと考えられる。この作用により、金属イオン溶出の溶出が抑制され、固体高分子電解質膜の劣化を抑制できる。
Since the nitride layer is hard and brittle, as shown in FIGS. 4A and 4B, the nitride layer is cleaved as a defect in the nitride layer. FIG. 4A shows an example in which the
図4(b)は、基材17が窒化層16との界面領域17bに窒素を含有する層を有しない例である。図4(b)に示すように、窒化層16は窒化処理により基材17に浸透したN%の窒素濃度を有する。窒素濃度を示す曲線はl5、l6、l7、l8からなり、領域Bは基材17の窒化層16との界面領域17bを示す。図4(a)同様に、窒化層16には例えば微細な亀裂19a、19b及び微細なピット19c等の開裂が形成されている。開裂が窒化層16を縦通し基層18に及ぶことにより、窒化されていない基層18が露出する。この場合には、図4(b)において矢印で示すように、基層18の露出した箇所から基材17を構成する遷移金属元素のイオンが溶出し、固体高分子電解質膜が劣化する。このように、基材の窒化層との界面領域に窒素を含有する層を有しない場合には、pH2〜3の強酸性雰囲気において化学的に不安定であり、耐食性が劣る。
FIG. 4B is an example in which the
窒化層との界面領域は、窒素濃度が0.1[%]以上であることが耐孔食性の観点から好ましい。さらに、窒素濃度が0.2[%]以上であることがより耐孔食性が向上するため好ましい。 The interface region with the nitride layer preferably has a nitrogen concentration of 0.1 [%] or more from the viewpoint of pitting corrosion resistance. Furthermore, the nitrogen concentration is preferably 0.2% or more because the pitting corrosion resistance is further improved.
基材は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選ばれる少なくとも一種以上の金属元素を含み、更に窒素を含有しているステンレス鋼であることが好ましい。このような元素を含有するステンレス鋼として、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が挙げられる。これらの中でも、基材は、特にオーステナイト系ステンレス鋼からなることが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS304LN、SUS316LN、SUS304N1、SUS304N2、SUS316N等が挙げられる。 The base material is preferably stainless steel containing at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni and Mo, and further containing nitrogen. Examples of stainless steels containing such elements include austenitic, austenitic / ferrite, and precipitation hardening stainless steels. Among these, the base material is preferably made of austenitic stainless steel. Examples of the austenitic stainless steel include SUS304LN, SUS316LN, SUS304N1, SUS304N2, and SUS316N.
立方晶の結晶構造は、より具体的には、Fe、Cr、Ni、Moの中から選ばれた遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造からなることが好ましい。M4N型の結晶構造を図5に示す。図5に示すように、M4N型の結晶構造20は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子22が配置された構造である。このM4N型の結晶構造20において、Mは、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21を表し、Nは窒素原子22を表す。窒素原子22はM4N型の結晶構造20の単位胞中心の八面体空隙の1/4を占有する。すなわち、M4N型の結晶構造20は、遷移金属原子21の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子22が侵入した侵入型固溶体であり、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子22は各単位胞の格子座標(1/2,1/2,1/2)に位置する。M4N型の結晶構造とすることにより、遷移金属原子21間の金属結合を維持したまま、遷移金属原子21と窒素原子22との間で強い共有結合性を示す。このM4N型の結晶構造20では、遷移金属原子M21はFeを主体としていることが好ましいが、FeがCr、Ni、Moなどの他の遷移金属原子と一部置換した合金であっても良い。
More specifically, the cubic crystal structure is such that nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. preferably made of M 4 N type crystal structure which is. The crystal structure of the M 4 N type is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the M 4 N
そして、このM4N型の結晶構造では、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも1000[HV]以上と高く、窒素が過飽和に固溶したfccまたはfct構造の窒化物であると考えられている(安丸、蒲池;日本金属学会誌,50,pp362−368,1986)。そして、表面に近いほど窒素濃度が高いことや、CrNが主成分とならないため、耐食性に有効なCrが減少せずに窒化後も耐食性が保たれる。このように、窒化層がFe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造からなる場合には、pH2〜3の強酸性雰囲気における耐食性を一段と優れたものとし、かつカーボンペーパとの間の接触抵抗を低くおさえることが可能となる。
The M 4 N type crystal structure is considered to be a fcc or fct structure nitride in which high hardness is 1000 [HV] or more accompanied by high density dislocations and twins, and nitrogen is supersaturated in a solid solution. (Yasumaru, Tsugaike; Journal of the Japan Institute of Metals, 50, pp 362-368, 1986). Further, the closer to the surface, the higher the nitrogen concentration, and CrN is not a main component, so that Cr effective for corrosion resistance does not decrease and corrosion resistance is maintained even after nitriding. Thus, the M 4 N type in which the nitrogen layer is arranged in the octahedral void at the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice formed by the transition metal atom selected from Fe, Cr, Ni, and Mo in the nitride layer. In the case of this crystal structure, the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere of
窒化層は、基材表面に厚さ0.5〜5[μm]の範囲で形成されていることが好ましい。この場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れ、かつカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く抑えることが可能となる。なお、窒化層の厚さが0.5[μm]を下回る場合には、窒化層と基層との間に亀裂が発生したり、窒化層と基層との密着強度が不足することにより長時間使用すると窒化層が基層との界面から剥がれ易くなるため長時間の使用では充分な耐食性が得られにくくなる。また、窒化層の厚さが5[μm]を上回る場合には、窒化層の厚さの増大とともに窒化層内の応力が過大になって窒化層に亀裂が発生し、燃料電池用セパレータに孔食が発生し易くなり、耐食性の向上に寄与しにくくなる。 The nitride layer is preferably formed on the substrate surface in a thickness range of 0.5 to 5 [μm]. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent, and the contact resistance with the carbon paper can be kept low. In addition, when the thickness of the nitride layer is less than 0.5 [μm], it is used for a long time due to the occurrence of cracks between the nitride layer and the base layer or insufficient adhesion strength between the nitride layer and the base layer. As a result, the nitrided layer easily peels off from the interface with the base layer, so that it is difficult to obtain sufficient corrosion resistance when used for a long time. Further, when the thickness of the nitride layer exceeds 5 [μm], as the thickness of the nitride layer increases, the stress in the nitride layer becomes excessive and cracks occur in the nitride layer, resulting in holes in the fuel cell separator. Corrosion tends to occur, and it becomes difficult to contribute to improvement of corrosion resistance.
このように、上記した構成を採用したことにより、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータは耐食性に優れる。そして、低コストで生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用セパレータを得ることが可能となる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを有することにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。 Thus, by adopting the above-described configuration, the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention is excellent in corrosion resistance. In addition, it is possible to obtain a fuel cell separator that is low in cost, has good productivity, has low contact resistance with a constituent material such as an adjacent gas diffusion electrode, and has good power generation performance of the fuel cell. In addition, the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention includes the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention, so that high power generation efficiency can be maintained without impairing power generation performance, and the size and size of the fuel cell stack can be reduced. Cost reduction can be realized.
(燃料電池用セパレータの製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施の形態について説明する。この燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素と、0.1[%]以上の濃度をの窒素とを含む合金からなる基材の表面を窒化処理する窒化処理工程を有することを特徴とする。この方法により、基材の表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層を備え、基材は窒化層との界面領域に窒素を含有する高性能の燃料電池用セパレータが容易に得られる。
(Manufacturing method of fuel cell separator)
Next, an embodiment of a method for manufacturing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention will be described. The method of manufacturing a fuel cell separator includes a surface of a substrate made of an alloy containing a transition metal element selected from Fe, Cr, Ni and Mo and nitrogen having a concentration of 0.1% or more. And a nitriding treatment step for nitriding the substrate. This method makes it easy to obtain a high-performance fuel cell separator that includes a nitride layer having a cubic crystal structure in the depth direction from the surface of the substrate, and the substrate contains nitrogen in the interface region with the nitride layer. It is done.
窒化処理工程の後に、プレス加工により燃料または酸化剤の通路を形成する工程を有することが好ましい。窒化後にプレス成形することで、熱処理(窒化)時の歪みによるセパレータの反り、うねりを軽減できる。 After the nitriding treatment step, it is preferable to have a step of forming a fuel or oxidant passage by pressing. By press-molding after nitriding, the warpage and undulation of the separator due to distortion during heat treatment (nitriding) can be reduced.
窒化処理工程は、500[℃]以下の温度のプラズマ窒化処理工程を含み、プラズマ窒化処理工程により、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属原子によって形成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造を有する窒化層を形成することが好ましい。ステンレス鋼の表面に高温で窒化処理を施すと、窒素が基材中のCrと結びつき、主としてNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化物を析出するために燃料電池用セパレータの耐食性が低下する。これに対し、500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を施すと、基材表面にはM4N型の結晶構造が形成される。この結晶構造は、窒化層の中でも特に耐食性に富むため、500[℃] 以下の低温でプラズマ窒化処理を施すことにより燃料電池用セパレータの耐食性が向上する。また、セパレータと隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗を低く抑えることができ、燃料電池の発電効率を維持でき、優れた耐久信頼性を有する燃料電池用セパレータを低コストにより得ることができる。なお、窒化温度が350[℃]を下回る場合には、この結晶構造を有する窒化層を得るためには長時間の処理を必要とするために生産性が悪化する。このため、窒化処理は350〜500[℃]の範囲で行うことが好ましい。 The nitriding process includes a plasma nitriding process at a temperature of 500 [° C.] or less, and the face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms selected from Fe, Cr, Ni, and Mo by the plasma nitriding process. It is preferable to form a nitride layer having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids at the center of the unit cell. When the surface of stainless steel is subjected to nitriding treatment at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and nitrides such as CrN having a NaCl-type crystal structure are mainly precipitated, so that the corrosion resistance of the fuel cell separator is lowered. . On the other hand, when plasma nitriding is performed at a temperature of 500 [° C.] or lower, an M 4 N type crystal structure is formed on the surface of the substrate. Since this crystal structure is particularly rich in corrosion resistance among the nitrided layers, the corrosion resistance of the fuel cell separator is improved by performing plasma nitriding at a low temperature of 500 [° C.] or lower. Moreover, the contact resistance between the separator and the constituent material such as the adjacent gas diffusion electrode can be kept low, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained, and a fuel cell separator having excellent durability and reliability can be obtained at low cost. Can do. Note that when the nitriding temperature is lower than 350 [° C.], it takes a long time to obtain a nitrided layer having this crystal structure, and the productivity deteriorates. Therefore, the nitriding treatment is preferably performed in the range of 350 to 500 [° C.].
プラズマ窒化の詳細を以下に示す。図6は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法に用いる窒化装置30の側面模式図、図7は、窒化装置30のシステム図である。
Details of plasma nitriding are shown below. FIG. 6 is a schematic side view of the
窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、この窒化炉31に雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、窒化炉31内でプラズマを発生させるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに直流電圧を供給する直流電源33と、窒化炉31内のガスを排出するポンプ34と、窒化炉31内の温度を検知する温度センサ37とを含んでいる。窒化炉31は内壁31a及び外壁31bを有し、内壁31aの天井部31cには燃料電池用セパレータの形状に加工したステンレス鋼箔44を吊下するステンレス製のハンガ36が設けられる。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを有し、ガス室38には開口32a、32b、32c及び32dが設けられている。開口32a、32b及び32cは、それぞれガス供給弁V1、ガス供給弁V2及びガス供給弁V3を備えるH2ガス供給ライン32e、N2ガス供給ライン32f、Arガス供給ライン32gと連通する。ガス供給装置32は、ガス供給管路39の一端と連通する開口32dを有する。窒化炉31の天井部31cには、ガス供給管路39の他端と連通する開口31dを有する。ガス供給管路39にはガス供給弁V4が設けられる。窒化炉31内のガス圧は、窒化炉31の底部31eに設けられたガス圧センサ40によって検知される。窒化炉31には冷却水流路(不図示)が設けられ、冷却水は窒化炉31の外壁31bに設けられた開口31fから冷却水流路に流入し、開口31gから流出する。開口31fには冷却水供給弁V5が設けられ、冷却水の流量を調節する。ポンプ34は、上記底部31eに設けられた開口31hと連通する排出管路41と接続される。温度センサ37は、窒化炉31の外壁31bに設けられた設置口31iに設置される。
The
窒化装置30には、グロー放電のために操作盤43から制御される直流電源33の他に、バイアス用のポテンショメータ35が設けられている。直流電源33は陽(+)極33aが窒化炉31の内壁31aに接続され、陰(−)極33bが接地されている。ポテンショメータ35は、バイアス用直流電源端子35cと接地回路35dとの間の電位差を、可動接触子35eにより0[V]からバイアス電圧の範囲で分圧し、それにより得た電圧をバイアス回路35aを介して各ステンレス鋼箔44に供給する。直流電源33は制御盤43からの制御信号によりオン、オフされる。ポテンショメータ45は、制御盤33からバイアス制御回路35bを介してバイアス制御信号が供給され、この制御信号に応じて可動接触子35eが摺動する。従って、各ステンレス鋼箔44は、内壁31aに対し、直流電源33の端子間電圧と、可動接触子35eを介して供給されるバイアス電圧との間の電圧差を有する。なお、ガス供給装置32及びガス圧センサ40も、操作盤43によって制御される。
The
プラズマ窒化には窒素ガス及び水素ガスを使用し、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中においてステンレス鋼材にマイナスのバイアス電圧をかけることにより、ステンレス鋼材を400〜500[℃]の温度で窒化を行うことが好ましい。プラズマ窒化処理では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により金属材料表面の不動態皮膜を容易に除去できる。一方、通常使用されるガス窒化や塩浴窒化を用いて窒化処理を行った場合には、窒化層の数〜数十[nm]オーダの最表層では酸化が起きて絶縁性酸化物が形成されるため、燃料電池のガス拡散層として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗が増大する。これに対し、本発明のようにプラズマ窒化の手法を用いた窒化処理では、金属材料表面の酸素を除去しながら窒化反応を進めることができるため、窒化後の金属材料の最表層の酸素レベルを十分に低く抑えることが可能となる。さらに、カーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適となるように低い値に維持することが可能となる。 Nitrogen gas and hydrogen gas are used for plasma nitriding, and a negative bias voltage is applied to the stainless steel material in a low temperature non-equilibrium plasma in which the nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. Nitriding is preferably performed at a temperature. In the plasma nitriding treatment, the passive film on the surface of the metal material can be easily removed by the sputtering action by ion bombardment. On the other hand, when nitriding is performed using gas nitriding or salt bath nitriding, which is commonly used, oxidation occurs on the outermost layer of the order of several to several tens [nm] of the nitrided layer to form an insulating oxide. Therefore, the contact resistance with the carbon paper normally used as the gas diffusion layer of the fuel cell increases. On the other hand, in the nitriding treatment using the plasma nitriding method as in the present invention, the nitriding reaction can proceed while removing oxygen on the surface of the metal material. It becomes possible to keep it low enough. Furthermore, the contact resistance with the carbon paper can be maintained at a low value so as to be suitable as a fuel cell.
また、プラズマ窒化処理をする際の処理条件は、温度400〜500[℃]、処理時間1〜60[分]、ガス混合比N2:H2=3:7〜7:3、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とすることが好ましい。窒化処理条件を本範囲に規定したのは、処理時間が1[分]未満になると窒化層が形成されないからであり、逆に、処理時間が60[分]を超えると製造コストが高騰するからである。さらに、ガス混合比を本範囲に規定したのは、ガス中の窒素の割合が減少すると窒化層を形成することができないからであり、逆に、窒素の割合が増大すると還元剤として作用する水素量が減少して、基材表面が酸化されてしまうからである。このような処理条件下でプラズマ窒化処理をすることにより、M4N型の結晶構造を有する窒化層を基材表面に形成することができる。
Further, the processing conditions for plasma nitriding are as follows: temperature 400 to 500 [° C.],
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した高性能の燃料電池用セパレータを容易に製造することが可能となる。 As described above, according to the method for manufacturing the separator for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, the low resistance value in the oxidizing environment is maintained, the corrosion resistance is excellent, and the cost is reduced by a simple operation. It is possible to easily manufacture a high-performance fuel cell separator that realizes the above.
(燃料電池車両)
本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを動力源として備えた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
(Fuel cell vehicle)
As an example of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention, a fuel cell electric vehicle including the above-described fuel cell stack according to the embodiment of the present invention as a power source will be described.
図8は、燃料電池スタック1を搭載した燃料電池電気自動車の外観を示す図である。図8(a)は燃料電池電気自動車50の側面図、図8(b)は燃料電池電気自動車50の上面図である。図8(b)に示すように、車体51前方には、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部52を形成している。図8(a)及び(b)に示す燃料電池電気自動車50では、エンジンコンパートメント部52内に燃料電池スタック1を搭載している。
FIG. 8 is a view showing an appearance of a fuel cell electric vehicle equipped with the
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータを適用した発電効率の高い燃料電池スタック1を自動車等の移動体車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック1を車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、小型化した燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を高めることができる。
By mounting the
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。 In addition, although the electric vehicle was mentioned as an example of a fuel cell vehicle, this invention is not limited to vehicles, such as an electric vehicle, It can apply also to the aircraft and other engines in which electric energy is requested | required. .
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例6について説明する。これらの実施例は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの有効性を調べたもので、異なる原料に対して異なる条件下で処理して各試料を調製したものであり、例示した実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 6 of the separator for a fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described. In these examples, the effectiveness of the separator for a fuel cell according to the embodiment of the present invention was examined. Each sample was prepared by treating different raw materials under different conditions. The present invention is not limited to the examples.
<試料の調製>
実施例ではJIS規格の窒素含有量の異なるオーステナイト系ステンレス鋼として、SUS304LN、SUS316LNを、比較例では窒素を含有しないオーステナイト系ステンレス鋼として、SUS304、SUS316、SUS316Lを用いた。表1に、用いた基材及び基材の組成を示す。各例において、板厚0.1[mm]の光輝焼鈍(BA)材を用い、これらの基材を脱脂洗浄後、両面に直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理を施した。表2に窒化方法及び窒化条件を示す。表2に示すように、プラズマ窒化条件は、処理温度400〜550[℃]、処理時間1〜60[分]、ガス混合比をN2:H2=1:1又は7:3とし、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とした。
In the examples, SUS304LN and SUS316LN were used as austenitic stainless steels having different JIS standard nitrogen contents, and SUS304, SUS316, and SUS316L were used as austenitic stainless steels not containing nitrogen in the comparative example. Table 1 shows the base material used and the composition of the base material. In each example, a bright annealed (BA) material having a thickness of 0.1 [mm] was used, and after degreasing and cleaning these substrates, plasma nitriding treatment by direct current glow discharge was performed on both surfaces. Table 2 shows nitriding methods and nitriding conditions. As shown in Table 2, the plasma nitriding conditions are as follows: the processing temperature is 400 to 550 [° C.], the processing time is 1 to 60 [min], and the gas mixing ratio is N 2 : H 2 = 1: 1 or 7: 3. The pressure was 3 to 7 [Torr] (= 399 to 931 [Pa]).
ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。 Here, each sample was evaluated by the following method.
<窒化層の結晶構造の同定>
上記方法によって得られた試料の窒化層の結晶構造の同定は、窒化処理を施すことによって改質した基材表面をX線回折測定することにより行った。装置は、マックサイエンス社製 X線回折装置(XRD)を用いた。測定は、線源はCuKα線、回折角20〜100[゜]、スキャン速度2[゜/min]の条件で行った。
<Identification of crystal structure of nitride layer>
Identification of the crystal structure of the nitride layer of the sample obtained by the above method was performed by X-ray diffraction measurement of the surface of the base material modified by nitriding treatment. The apparatus used was an X-ray diffractometer (XRD) manufactured by Mac Science. The measurement was performed under the conditions of a CuKα ray as a radiation source, a diffraction angle of 20 to 100 [°], and a scanning speed of 2 [° / min].
<窒化層の厚さの測定>
窒化層の厚さは、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて断面観察することにより測定した。
<Measurement of nitride layer thickness>
The thickness of the nitride layer was measured by observing a cross section using an optical microscope or a scanning electron microscope.
<界面領域の窒素量の測定>
基材の窒化層との界面領域(便宜上窒素含有層とする)の窒素量の測定は、走査型オージェ電子分光分析装置により行った。装置は、PHI社製 MODEL4300を用いた。測定は、電子線加速電圧5[kV]、測定領域20[μm]×16[μm]、イオン銃加速電圧3[kV]、スパッタリングレート10[nm/min](SiO2換算値)の条件で行った。検出限界は0.05[mass%]である。
<Measurement of the amount of nitrogen in the interface region>
Measurement of the amount of nitrogen in the interface region with the nitride layer of the base material (for convenience, a nitrogen-containing layer) was performed with a scanning Auger electron spectrometer. The apparatus used was MODEL4300 manufactured by PHI. The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement area of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate of 10 [nm / min] (SiO 2 conversion value). went. The detection limit is 0.05 [mass%].
<接触抵抗値の測定>
得られた試料を30[mm]×30[mm]の大きさに切り出して接触抵抗を測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置 TRS-2000SS型を用いた。図9(a)に示すように、電極61とサンプル62との間にカーボンペーパ63を介在させて、図9(b)に示すように、電極61a/カーボンペーパ63a/サンプル62/カーボンペーパ63b/電極61bの構成とした。そして、測定面圧1.0[MPa]にて1[A/cm2]の電流を流した際の電気抵抗を2回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ(東レ(株)製カーボンペーパ TGP-H-090 厚さ0.26[mm]、かさ密度0.49[g/cm3]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[Ω・cm2])を用いた。電極は、直径φ20のCu製電極を用いた。この接触抵抗測定は、後述する電解試験の前後で2回測定を行った。
<Measurement of contact resistance value>
The obtained sample was cut into a size of 30 [mm] × 30 [mm], and the contact resistance was measured. The apparatus used was TRS-2000SS, a pressure load contact electrical resistance measuring device manufactured by ULVAC-RIKO. 9A, a
<耐食性の評価>
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で1[VvsSHE]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いて、所定の定電位をかけた状態で一定時間保持後に溶液中に溶け出す金属イオン量を蛍光X線分析により測定し、イオン溶出量の値から耐食性の低下の度合いを評価した。
<Evaluation of corrosion resistance>
In the fuel cell, a potential of about 1 [Vvs SHE] is applied to the oxygen electrode side in comparison with the hydrogen electrode side. In addition, the solid polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane having a proton exchange group such as a sulfonic acid group in the molecule, saturated with water and utilizing proton conductivity, and exhibits strong acidity. For this reason, the corrosion resistance is evaluated using a constant potential electrolysis test that is an electrochemical technique, and the amount of metal ions that dissolve in the solution after being held for a certain period of time with a predetermined constant potential applied by fluorescent X-ray analysis. The degree of reduction in corrosion resistance was evaluated from the value of the ion elution amount.
具体的には、各試料の中央部を大きさ30[mm]×30[mm]に切り出したサンプルをpH2の硫酸水溶液中で、温度80[℃]、電位1[VvsSHE]として100[時間]保持した。その後、硫酸水溶液中に溶け出したFe、Cr及びNiのイオン溶出量を蛍光X線分析により測定した。
Specifically, a sample obtained by cutting out the central portion of each sample into a size of 30 [mm] × 30 [mm] in a sulfuric acid aqueous solution of
実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例6の窒化層の結晶構造、窒化層の厚さ、窒素含有層の窒素濃度、電解試験前後での接触抵抗値及びイオン溶出量の測定結果を表3に示す。
さらに、図10に、上記実施例1及び比較例1により得られた試料のX線解析パターンを示す。 Furthermore, the X-ray analysis pattern of the sample obtained by the said Example 1 and the comparative example 1 is shown in FIG.
比較例1、2では、基材であるオーステナイト由来のピークのみが明確に観測されたのに対し、実施例1では、図中γで示す基材であるオーステナイト由来のピークの他には、上記M4N型の結晶構造を示すS1〜S5のピークが観測された。ここで、Mは、Feを主体としており、Feの他にはCr、Ni、Moの合金を含む。なお、実施例2,3では、実施例1と同様に基材であるオーステナイト由来のピークの他に上記M4N型の結晶構造のピークが観測された。 In Comparative Examples 1 and 2, only the peak derived from the austenite which is the base material was clearly observed, whereas in Example 1, in addition to the peak derived from the austenite which is the base material indicated by γ in the figure, Peaks of S1 to S5 showing an M 4 N type crystal structure were observed. Here, M is mainly composed of Fe, and includes an alloy of Cr, Ni, and Mo in addition to Fe. In Examples 2 and 3, the peak of the M 4 N type crystal structure was observed in addition to the peak derived from the austenite as the base material as in Example 1.
比較例3では、CrNとγ’相を示すピークが観測された。なお、γ’相は、Crが窒素原子と結合してCrNなどのCr系窒化化合物を形成するために、基材のCr濃度が低下することによってFe原子が面心立方格子を作る。そして、γ’相はこの格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が侵入した結晶構造、すなわち八面体空隙の1/4に窒素原子が配置されたFe4N型の結晶構造であり、Feの他にCrやNiの合金を含まない。このように、窒化処理温度が500[℃]を越えた場合には、NaCl型の結晶構造を有するCrNなどのCr系窒化化合物が形成することがわかった。 In Comparative Example 3, peaks indicating CrN and γ ′ phase were observed. In the γ ′ phase, Cr is combined with nitrogen atoms to form a Cr-based nitride compound such as CrN, so that the Fe atoms form a face-centered cubic lattice by decreasing the Cr concentration of the base material. The γ ′ phase is a crystal structure in which nitrogen atoms have entered the octahedral voids at the center of the unit cell of this lattice, that is, a Fe 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in 1/4 of the octahedral voids, It contains no Cr or Ni alloy in addition to Fe. Thus, it has been found that when the nitriding temperature exceeds 500 [° C.], a Cr-based nitride compound such as CrN having an NaCl type crystal structure is formed.
表3に示すように、M4N型の結晶構造をもつ窒化層が形成された実施例1〜実施例3では、いずれも接触抵抗値が40[mΩ・cm2]以下であった。燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパと間の接触抵抗が20[mΩ・cm2] 、つまり、図9(b)で示した測定法による測定値が40[mΩ・cm2] 以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられる。本実施例1〜実施例3では、いずれも接触抵抗値が40[mΩ・cm2] 以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、起電力の高い燃料電池スタックを形成することが可能となる。また、実施例1〜実施例3ではいずれもイオン溶出量が低く、耐食性に優れていること、また基材側界面の窒素含有量が高いほどイオンの溶出を抑制する傾向にあることがわかった。 As shown in Table 3, in Examples 1 to 3 in which the nitride layer having the M 4 N type crystal structure was formed, the contact resistance value was 40 [mΩ · cm 2 ] or less. In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V], but the voltage that can be actually taken out decreases due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage drops as the extracted current increases. . Further, in automotive applications, since it is desired to increase the output density per unit volume / weight, it is used at a higher current density side than stationary use, for example, at a current density of 1 [A / cm 2 ]. When the current density is 1 [A / cm 2 ], the contact resistance between the separator and the carbon paper is 20 [mΩ · cm 2 ], that is, the measured value by the measuring method shown in FIG. If it is less than cm 2 ], it is considered that the efficiency reduction due to contact resistance can be suppressed. In each of Examples 1 to 3, since the contact resistance value is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, it is possible to form a fuel cell stack with high electromotive force per unit cell and high electromotive force. It becomes. Further, in Examples 1 to 3, it was found that the ion elution amount is low, the corrosion resistance is excellent, and the higher the nitrogen content at the base-side interface, the more the ion elution tends to be suppressed. .
実施例と比較して、比較例1〜比較例2のようにオーステナイト系ステンレス鋼の表面を窒化処理しない場合には、基材表面に不動態膜があるため接触抵抗が高かった。また、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼は不動態膜があるため耐食性に優れているが、実施例1〜実施例3と比較すると劣ることがわかった。比較例3のように窒化処理を施しても、窒化層が主としてNaCl型の結晶構造を有するCrNを含む場合には、窒化処理を施していない比較例1、比較例2と比較すると接触抵抗は低くなるが、耐食性が劣る。また、比較例4、5のようにM4N型の結晶構造をもつ窒化層が形成されていても、基材界面に窒素含有しない場合には、窒素含有する実施例1〜実施例3と比較して接触抵抗にはほとんど差が見られないものの、イオン溶出量が増加しており、耐食性が劣っていた。 Compared to the examples, when the surface of the austenitic stainless steel was not nitrided as in Comparative Examples 1 and 2, the contact resistance was high because there was a passive film on the substrate surface. In general, austenitic stainless steel is excellent in corrosion resistance due to the presence of a passive film, but was found to be inferior to Examples 1 to 3. Even when the nitriding treatment is performed as in Comparative Example 3, when the nitride layer mainly contains CrN having a NaCl type crystal structure, the contact resistance is smaller than that of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 where the nitriding treatment is not performed. Although lower, corrosion resistance is inferior. Further, even when a nitride layer having an M 4 N type crystal structure is formed as in Comparative Examples 4 and 5, when nitrogen is not contained at the substrate interface, Examples 1 to 3 containing nitrogen and Although there was almost no difference in contact resistance, the amount of ion elution increased and the corrosion resistance was inferior.
以上の測定結果より、実施例1〜実施例3は、比較例1〜比較例5に対しいずれの実施例においても立方晶の結晶構造である、Fe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造を有する窒化層を有するため低接触抵抗を示し、さらに基材側窒化層界面に窒素含有層を有するため基材からのイオン溶出量も少なく、耐食性に優れることから、低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備えることが示された。 From the above measurement results, Examples 1 to 3 are selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo, which are the crystal structures of the cubic crystals in any of the Examples compared to Comparative Examples 1 to 5. Since it has a nitride layer having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed of at least one transition metal atom, it exhibits low contact resistance, Furthermore, it has been shown that since it has a nitrogen-containing layer at the substrate-side nitrided layer interface, the amount of ion elution from the substrate is small and the corrosion resistance is excellent, so that it has both low contact resistance and corrosion resistance at the same time.
1 燃料電池スタック
2 単セル
3 燃料電池用セパレータ
4 エンドフランジ
5 締結ボルト
10 基材
10a 表面
10b 界面領域
11 窒化層
12 基層
13 通路
14 平板部
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
1 the
Claims (11)
前記基材の表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層を備え、前記基材は前記窒化層との界面領域に窒素を含有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator obtained by nitriding the surface of a substrate made of an alloy containing a transition metal element selected from Fe, Cr, Ni and Mo,
A fuel cell separator comprising a nitride layer having a cubic crystal structure in a depth direction from a surface of the substrate, wherein the substrate contains nitrogen in an interface region with the nitride layer.
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