JP2009032686A - Fuel cell separator, manufacturing method thereof, fuel cell stack, and fuel cell vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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,燃料電池用セパレータの製造方法,燃料電池スタック,及び燃料電池車両に関する。 The present invention relates to a solid polymer electrolyte type fuel cell separator formed using stainless steel, a method of manufacturing a fuel cell separator, a fuel cell stack, and a fuel cell vehicle.
従来より、燃料電池用セパレータとして、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。 2. Description of the Related Art Conventionally, attempts have been made to use titanium materials such as stainless steel or industrial pure titanium that have good electrical conductivity and excellent corrosion resistance as fuel cell separators. 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.
ところが上記不動態皮膜は、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 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、セパレータと電極間の接触抵抗が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。そこで、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窒化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)。
しかしながら、燃料電池用セパレータ表面に窒化層を形成しただけでは、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが大きい。 However, only by forming the nitride layer on the surface of the fuel cell separator, the contact resistance changes and varies with time.
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、その目的は、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが小さい燃料電池用セパレータを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell separator in which changes and variations in contact resistance with time change are small.
本発明の他の目的は、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが小さい燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a method for producing a separator for a fuel cell in which changes and variations in contact resistance with time change are small.
本発明の他の目的は、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが小さい燃料電池用セパレータを備える燃料電池スタックを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell stack including a fuel cell separator in which changes and variations in contact resistance with time change are small.
本発明の他の目的は、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが小さい燃料電池用セパレータを有する燃料電池スタックを動力源として備える燃料電池車両を提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a fuel cell vehicle including as a power source a fuel cell stack having a fuel cell separator with little change and variation in contact resistance with time.
本発明は、基層上に形成された第1の窒化層と、第1の窒化層上に形成され、窒化層の表面部を含む第2の窒化層とにより窒化層を構成し、第2の窒化層中のCr及びNの原子濃度を第1の窒化層中のCr及びNの原子濃度よりも多くすることを要旨とする。 The present invention comprises a first nitride layer formed on a base layer, and a second nitride layer formed on the first nitride layer and including the surface portion of the nitride layer, to form a nitride layer, The gist is to make the atomic concentrations of Cr and N in the nitride layer higher than the atomic concentrations of Cr and N in the first nitride layer.
本発明によれば、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきが小さい燃料電池用セパレータ,燃料電池用セパレータ,燃料電池スタック、及び燃料電池車両を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator, a fuel cell separator, a fuel cell stack, and a fuel cell vehicle in which changes and variations in contact resistance with time change are small.
以下、本発明の実施形態となる燃料電池,燃料電池の製造方法及び燃料電池車両について、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, a fuel cell manufacturing method, and a fuel cell vehicle 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、本発明の実施形態とな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 using a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a development view of the fuel cell stack 1 schematically showing a detailed configuration of the fuel cell stack 1 shown in FIG.
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素極を有するガス拡散層と水素極を有するガス拡散層とを形成して膜電極接合体とし、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。
As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is configured by alternately stacking a plurality of unit cells 2 and
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 the polymer electrolyte membrane, a perfluorocarbon polymer membrane having a sulfonic acid group (Nafion 1128 (registered trademark), DuPont) or the like can be used. After laminating the single cell 2 and 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の要部をわかりやすく強調したIIIb-IIIb線断面図、図3(c)は、燃料電池用セパレータ3の要部をわかりやすく強調したIIIc-IIIc線断面図である。図3に示すように、燃料電池用セパレータ3は、Fe、Cr及びNiから選択されるいずれかの元素を含むステンレス鋼からなる基材10からなり、基材10の表面10aを窒化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。
FIG. 3 shows a schematic diagram of the
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流路13が形成されている。流路13と流路13との間には、流路13と流路13とで画成された平板部14を備え、流路13及び平板部14の外面に沿って窒化層11が延在する。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。
The
窒化層11は、図3(c)に示すように、基層12の上に形成された第1の窒化層(第1の層)11bと、第1の窒化層11bの上に形成され、窒化層11の表面部11aを含む第2の窒化層11cとを備える。窒化層11の表面部11aは、プラズマ窒化により基材10の表面10aに窒素がたたき込まれている。なお、第2の窒化層11c中のCr及びNの原子濃度は第1の窒化層11b中のCr及びNの原子濃度よりも多い。
As shown in FIG. 3C, the
第2の窒化層11cの表面から深さ5nmの位置におけるO(酸素)の原子濃度は5%以上20%以下の範囲内にあることが望ましい。酸素の原子濃度が20%を上回る場合、導電性が低い酸化物によって接触抵抗が増加すると共に窒化物が相互に連結した構造が崩れやすくなる。逆に酸素の原子濃度が5%を下回る場合には、金属イオンの溶出を抑制する酸化皮膜が緻密に形成されなくなるので、金属イオンが溶出し、性能ばらつき(電気伝導性及び溶出性)が大きくなる。
It is desirable that the atomic concentration of O (oxygen) at a position 5 nm deep from the surface of the
第2の窒化層11cの表面に形成される酸化皮膜の膜厚は200nm以下であることが望ましい。酸化皮膜の膜厚が200nm以上である場合、導電性が低い酸化物によって接触抵抗が増加し、燃料電池セパレータに求められる低接触抵抗性能が実現できなくなる。酸化皮膜は、窒化処理前に空気(酸素)含有雰囲気でステンレス鋼を加熱処理する事前酸化処理、又は窒化処理後の酸洗によって形成することが望ましい。SiやMnを添加することにより酸化皮膜を形成する方法とは異なり、MnS等の耐食性を悪化させる析出物が存在しないので、金属イオンの溶出を少なくすることができる。またSiやMnを添加する必要がないので、コストが安くなる。
The thickness of the oxide film formed on the surface of the
第2の窒化層11cは、厚さが50[nm]以下であることが好ましい。この場合には、酸化性環境下での耐食性に優れる。第2の窒化層11cが形成していない場合には、最表面が第1の窒化層となるため、不動態皮膜中のFeの比率が高くなり、Crの濃縮が生じ難なるため、耐食性が悪化する。一方、第2の窒化層11cの厚さが50[nm]を超えると、第2の窒化層11cの厚さが増大して第1の窒化層11b、及び基層12のCr濃度が低下してCr欠乏層が生じるため、このCr欠乏層により耐食性が劣る。
The thickness of the
第2の窒化層11cは、MN型の結晶構造を有する窒化化合物の単層が形成されていることが好ましい。ここで、Mは、Cr、Fe、Ni及びMoの群から選択される遷移金属元素である。第2の窒化層11cがMN型の結晶構造を有する窒化化合物の単相が形成されている場合には、不動態皮膜中にCrの濃縮が生じる。このため、不動態電位が貴側へシフトするようになり、耐食性が向上するという効果が得られる。
The
第2の窒化層11cにおいて、Crが全体に分布し、Crの欠乏層がないことが好ましい。すなわち、第2の窒化層11cでは、CrNを有する窒化化合物の単相が形成されていることがより好ましい。CrN自体は、高い耐食性を示すことが知られているが、窒化処理などによりCrNを析出した場合、基層12のCr濃度が低下してCr欠乏層が生じるため、このCr欠乏層が耐食性を悪化させる。また、CrN層をコーティングなどにより基層12上に被覆しようとすると密着強度が十分とはならず、また、皮膜中に欠陥が生じやすく、その欠陥が耐食性を悪化させる。
In the
これに対し、窒化処理、特にプラズマ窒化により、窒化層11の最表面を1〜30[nm]の極薄いCrN層を形成することで、基層12のCr濃度が低下してCr欠乏層を形成することなく、第1の窒化層11bと第2の窒化層11c、及び第1の窒化層11bと基層12とは整合性が高くなる。このため、窒化層11との境界においてすべり線などの欠陥が無く、金属結合が切れることがなくなり、各層間における密着強度も確保されるという利点がある。
On the other hand, by forming a very thin CrN layer of 1 to 30 [nm] on the outermost surface of the
第2の窒化層11cは、Feに対するCrの比が1.0以上であることが好ましい。この場合には、第2の窒化層11cの最表面にCr系の酸化膜が形成するようになるため、標準電極電位が貴側へシフトし、pH2〜3の強酸性雰囲気における耐食性が一段と優れたものになる。
The
基材10として用いるステンレス鋼は、少なくともNiを8[wt%]以上を含有するオーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。Niを8[wt%]以上を含有するオーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS304L、SUS316L、SUS310S等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼を選択する理由としては、燃料電池用セパレータ3の基材10としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いる場合には、ガス流路及び冷却水流路等の凹凸をプレス成形する必要がある。
The stainless steel used as the
その際に、プレス成形する基材組織がオーステナイト単相の場合、伸び、絞り性に優れ、プレス成形性に優れるためである。また、基材10にプラズマ窒化を施した場合には、基材10の表面10aに対する窒素固溶量が大きくなり、基材表面10aにプラズマ窒化によって高濃度の窒素を含有した遷移金属窒化物が形成され易くなるためである。Niの含有量が8[wt%]未満もしくは、Niを含まないフェライト系又はマルテンサイト系ステンレス鋼を基材として用いた場合には、伸び、絞り性が劣り、プレス成形性が劣るようになる。
In this case, when the base material structure to be press-molded is an austenite single phase, it is excellent in elongation and drawability and excellent in press-formability. In addition, when plasma nitriding is performed on the
第1の窒化層11bは、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選択される遷移金属原子に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ことが好ましい。M4N型結晶構造を図4に示す。図4に示すように、M4N型結晶構造20は、Feを主成分として、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。
The
このM4N型結晶構造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。
In this M4N
このM4N型結晶構造20では、遷移金属原子M21はFeを主体としているが、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も含む。このM4N型結晶構造20では、遷移金属原子21間の金属結合を保っ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とにより、各遷移金属原子21の酸化に対する反応性が低下する。このため、M4N型結晶構造20を有する第1の窒化層11bは、燃料電池内の酸化性環境下においても耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池用セパレータ3を提供することができる。
In this M4N
このM4N型の結晶構造20では、遷移金属原子21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。また、M4N型の結晶構造20を構成する遷移金属原子21は、規則性が見られないことが好ましい。この場合には、各遷移金属原子の部分モル自由エネルギが低下して、各遷移金属原子の活量を低く抑えることができる。これに伴い、第1の窒化層11b中の各遷移金属原子の酸化に対する反応性が低くなり、燃料電池内の酸化性環境下においても第1の窒化層11bは化学的安定性を有する。そして、セパレータ3の耐食性に優れるようになるため耐久性を高めることができる。また、電極との接触面となるセパレータ3上に貴金属めっき層を形成することなく耐食性を維持できるため、低コスト化を実現することができる。また、遷移金属原子21は、規則性が見られないことにより混合エントロピーが増大し各遷移金属原子の部分モル自由エネルギ−が低下しているか、又は各遷移金属原子の活量がラウールの規則より推定される値より低くなっていることが好ましい。
In this M4N
このM4N型の結晶構造20では、Feに対するCr原子比が高い場合には、窒化層中に含まれる窒素が第1の窒化層11b中のCrと結びついてCrNなどのCr系窒化物、すなわちNaCl型の窒化化合物が主成分となり、第1の窒化層11bの耐食性低下する。このため、遷移金属原子21はFeを主体とすることが好ましい。この結晶構造では、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)。
In this M4N-
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、第1の窒化層11bがFe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属原子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が配置されたM4N型の結晶構造20を有する場合には、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、かつ電極との間の接触抵抗を低くおさえることが可能となる。
The closer to the surface, the higher the nitrogen concentration, and CrN is not the main component, so that Cr effective for corrosion resistance does not decrease and corrosion resistance is maintained even after nitriding. Thus, nitrogen atoms are arranged in the octahedral space at the unit cell center of the face-centered cubic lattice in which the
第1の窒化層11bは、M4N型の結晶構造20のマトリクスと、マトリクス中に形成されたε相と呼ばれるε−M2〜3N型の結晶構造の結晶層とを含む複合組織であり、結晶層を層間距離が数10〜数100[nm]の範囲で有することが好ましい。M4N型の結晶構造のマトリクスにε−M2〜3N型の結晶構造を含む複合組織とすることで、第1の窒化層11bの化学的安定性が確保される。また、第1の窒化層11bが結晶層を層間距離が数10〜数100[nm]の範囲で有する場合には、ナノレベルの微細な層状組織が2相平衡することにより自由エネルギーが低下して活量を低く抑え、酸化に対する反応性が低くなり、化学的安定性を有するようになる。このため、特に強酸性雰囲気において酸化を抑制し耐食性に優れるようになる。
The
〔燃料電池用セパレータの製造方法〕
次に、本発明の実施形態となる燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。本発明の実施形態となる燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr及びNiから選択されるいずれかの元素を含むステンレス鋼からなる基材の表面を450 [℃]より低い温度に保持してプラズマ窒化し、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選択される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第1の窒化層(第1の層)、を形成する第1の段階と、基材表面の温度を450 [℃]より低い温度に保持してプラズマ窒化し、第1の窒化層の上にCr及びNの原子濃度が第1の窒化層中のCr及びNの原子濃度よりも多い第2の窒化層(第2の層)を形成する第2の段階と、を含むことを特徴とする。ここで、Mは、Cr、Fe、Ni及びMoの群から選択される遷移金属元素である。また第2の窒化層中のCr及びNの濃度は、プラズマ窒化処理の際のエネルギーやガス組成を制御することにより第1の窒化層中のCr及びNの原子濃度よりも多くすることができる。
[Method for producing separator for fuel cell]
Next, the manufacturing method of the separator for fuel cells which becomes embodiment of this invention is demonstrated. The method for producing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention maintains the surface of a base material made of stainless steel containing any element selected from Fe, Cr and Ni at a temperature lower than 450 [° C.]. M4N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids in the center of a unit cell of a face centered cubic lattice formed by transition metal atoms selected from the group of Fe, Cr, Ni and Mo by plasma nitriding A first step of forming a first nitride layer (first layer), and plasma nitriding while maintaining the temperature of the substrate surface at a temperature lower than 450 ° C. Forming a second nitride layer (second layer) in which the atomic concentration of Cr and N is higher than the atomic concentration of Cr and N in the first nitride layer. To do. Here, M is a transition metal element selected from the group consisting of Cr, Fe, Ni and Mo. Also, the Cr and N concentrations in the second nitride layer can be made higher than the atomic concentrations of Cr and N in the first nitride layer by controlling the energy and gas composition during the plasma nitriding process. .
プラズマ窒化は、被処理物(ここではステンレス鋼箔)を陰極とし、直流電圧を印加してグロー放電、即ち、低温非平衡プラズマを発生させて、ガス成分の一部をイオン化し、非平衡プラズマ中のイオン化したガス成分を被処理物の表面に高速衝突させて窒化する方法である。図5は、本発明の実施形態とな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の模式的側面図である。
Plasma nitriding uses a workpiece (here, stainless steel foil) as a cathode, applies a direct current voltage to generate glow discharge, that is, generates a low-temperature non-equilibrium plasma, ionizes a part of the gas component, and produces a non-equilibrium plasma. This is a method in which the ionized gas component therein is collided with the surface of the object to be processed at a high speed for nitriding. FIG. 5 is a schematic side view of a
窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、窒化炉31に設置された真空式窒化処理容器31aを排気して真空圧にする真空ポンプ34と、真空式窒化処理容器31aに雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、真空式窒化処理容器31a内でプラズマを発生させるため高電圧にチャージされるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに周波数45[KHz]の高周波にパルス化された直流電圧を供給するマイクロパルスプラズマ電源33と、真空式窒化処理容器31a内の温度を検知する温度検出計37とを備える。
The
窒化炉31は、上記真空式窒化処理容器31aを収容する断熱性の絶縁材からなる外側容器31bを備え、バルブ弁付送気口31gを備える。真空式窒化処理容器31aは、その底部31cに、プラズマ電極33a、33bを高電位に保持するための絶縁体35を備える。プラズマ電極33a、33bは、その上にステンレス製の支架36が設けられている。この支架36は、プレス成形により燃料又は酸化剤の流路が形成され、セパレータの形状に加工したステンレス鋼箔44(以下、しばしば基材とも呼ぶ。)を支持する。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを備え、ガス室38は所定数のガス導入用の開口(不図示)を有し、この開口は、それぞれガス供給弁(不図示)を備える水素ガス供給ライン(不図示)、窒素ガス供給ライン(不図示)、アルゴンガス供給ライン(不図示)に連通する。
The
ガス供給装置32は、更に、ガス供給管路39の一端39aと連通するガス供給用の開口32aを有し、この開口32aにはガス供給弁(不図示)が設けられている。ガス供給管路39は、窒化炉31の外側容器31bの底部31dと真空式窒化処理容器31aの底部31cとを気密に貫通して真空式窒化処理容器31a内に延入し、垂直に立ち上がる立ち上がり部39bに至る。
The
この立ち上がり部39bは、真空式窒化処理容器31a内にガスを噴出するための複数の開口39cが設けられている。真空式窒化処理容器31a内のガス圧は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられたガス圧センサ(不図示)により検知される。真空式窒化処理容器31aは、その外周に抵抗加熱式若しくは誘導加熱式のヒータ39の導電線39aが巻回され、これにより加熱される。
The rising
真空式窒化処理容器31aと外側容器31bとの間には空気流路40が画成される。外側容器31bの側壁31eには、外側容器31bの側壁31eに設けられた開口31fから空気流路40に流入した空気を送る送風機41が設けられている。空気流路40は空気が流出する開口40aを備える。真空ポンプ34は、真空式窒化処理容器31aの底部31cに設けられた開口31hと連通する排気管路45を介して排気を行う。温度検出計37は、真空式窒化処理容器31aと外側容器31bの底部31c、31d及びプラズマ電極33a、33bを貫通して信号線路37aを介して温度センサ37b(例えば熱伝対)に接続される。
An
マイクロパルスプラズマ電源33はプロセス制御装置42から制御信号を受け、オン、オフされる。各ステンレス鋼箔44は、アース側(例えば、真空式窒化処理容器31aの内壁31i)に対し、マイクロパルスプラズマ電源33から供給される電圧分の電位差を有する。ガス供給装置32、真空ポンプ34、温度検出計37及びガス圧センサもプロセス制御装置42によって制御され、このプロセス制御装置42は、パーソナルコンピュータ43により操作される。
The micropulse
本発明の実施形態となるプラズマ窒化法についてより詳細に説明する。まず、真空式窒化処理容器31a内に被処理物であるステンレス鋼箔44を配置し、1[Torr](=133[Pa])以下の真空に炉内を排気する。次に、真空式窒化処理容器31a内に水素ガスとアルゴンガスの混合ガスを導入した後、数[Torr]〜十数[Torr](665[Pa]〜2128[Pa])の真空度で、ステンレス鋼箔44を陰極、真空式窒化処理容器31aの内壁31iを陽極として、電圧を印加する。この場合、陰極であるステンレス鋼箔44上にグロー放電が発生し、このグロー放電によりステンレス鋼箔44を加熱及び窒化する。
The plasma nitriding method as an embodiment of the present invention will be described in more detail. First, the
本発明の実施形態となる燃料電池に用いるセパレータの製造方法として、第一の工程として、ステンレス鋼箔からなる基材44表面の不導態皮膜を除去するスパッタークリーニングを実施する。このスパッタークリーニングの際に、導入ガスがイオン化した水素イオン、アルゴンイオン等が基材44表面に衝突することで、基材44表面のCrを主体とした酸化皮膜を除去する。第2の工程として、スパッタークリーニングの後、水素ガスと窒素ガスの混合ガスを窒化炉31内に導入し、電圧を印加して陰極である基材44上にグロー放電を発生させる。
As a method for manufacturing a separator used in a fuel cell according to an embodiment of the present invention, as a first step, sputtering cleaning is performed to remove a non-conductive film on the surface of a
この際、イオン化した窒素が基材44表面に衝突、侵入及び拡散することにより、基材44表面にM4N型結晶構造を含む第1の窒化層、第1の窒化層表面にMN型の結晶構造を含む第2の窒化層が形成される。窒化層の形成と同時に、イオン化した水素と基材44表面の酸素が反応する還元反応により、基材44表面に形成された酸化膜が除去される。なお、このプラズマ窒化法では、基材44表面での反応は平衡反応ではなく非平衡反応であるため、基材44表面から深さ方向に高窒素濃度のM4N型結晶構造を含む遷移金属窒化物が迅速に得られ、この窒化物は耐食性に富む。
At this time, the ionized nitrogen collides, penetrates and diffuses on the surface of the
本発明の実施形態では、電源としてマイクロパルスプラズマ電源を用いている。プラズマ窒化法に用いる電源としては、直流電圧を印加し、この放電電流を電流検出器により検出し、所定の電流となるようサイリスタにより制御する直流波形を有する直流電源を用いるのが一般的である。この場合、グロー放電は連続的に継続され、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度は±30[℃]程度の範囲で変化する。これに対し、マイクロパルスプラズマ電源は、直流電圧とサイリスタによる高周波遮断回路から構成されており、この回路により直流電源波形は、グロー放電がオンとオフを繰り返すパルス波形となる。 In the embodiment of the present invention, a micro pulse plasma power source is used as a power source. As a power source used for the plasma nitriding method, it is common to use a DC power source having a DC waveform that is applied with a DC voltage, this discharge current is detected by a current detector, and is controlled by a thyristor so as to be a predetermined current. . In this case, glow discharge is continuously continued, and when the substrate temperature is measured with a radiation thermometer, the substrate temperature changes in a range of about ± 30 [° C.]. On the other hand, the micro-pulse plasma power source is composed of a high-frequency cutoff circuit using a DC voltage and a thyristor, and this circuit makes the DC power source waveform a pulse waveform in which glow discharge is repeatedly turned on and off.
この場合、プラズマを放電させる時間とプラズマを遮断する時間を1〜1000[μsec]として放電、遮断を繰り返すマイクロパルスプラズマ電源を用いたプラズマ窒化を行うことで、基材温度を放射温度計により測定すると、基材温度の変化は±5[℃]程度の範囲になる。高窒素濃度を有する遷移金属窒化物を得るためには、基材温度の精密温度制御が要求されることから、基材温度の変化の小さいマイクロパルスプラズマ電源を用い、この電源は、1〜1000[μsec]の周期でプラズマの放電及び遮断を繰り返すことが可能であることが好ましい。 In this case, the substrate temperature is measured with a radiation thermometer by performing plasma nitridation using a micro-pulse plasma power source that repeatedly discharges and shuts off, with the plasma discharge time and the plasma cut-off time being 1-1000 [μsec]. Then, the change in substrate temperature is in the range of about ± 5 [° C.]. In order to obtain a transition metal nitride having a high nitrogen concentration, precise temperature control of the substrate temperature is required. Therefore, a micropulse plasma power source having a small change in the substrate temperature is used. It is preferable that the plasma can be repeatedly discharged and interrupted at a period of [μsec].
窒化処理は、基材表面の温度を450[℃]より低い温度に保持して行うことが好ましい。ステンレス鋼の表面に高温で窒化すると、窒素が基材中のCrと結びつき、基層もしくは窒化層にCr欠乏層を生じるほどCr濃度の高いNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化物が析出するためにセパレータの耐食性が低下する。これに対し、450[℃]より低い温度で窒化処理を施すと基材表面には、まず、NaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化化合物ではなく、主として基材表面にM4N型結晶構造を有する窒化層が形成される。これと同時に、基材の最表面では、プラズマ加熱によって基層中のCrが表面へ濃化した状態で窒素イオンが表面から打ち込まれることによって、基材の最表面にナノメータオーダのCrN層が形成される。これによって、耐食性が向上したセパレータが得られる。また、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を低コストにより得ることができる。 The nitriding treatment is preferably performed while maintaining the temperature of the substrate surface at a temperature lower than 450 [° C.]. When the surface of stainless steel is nitrided at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and a nitride such as CrN having a NaCl-type crystal structure with a high Cr concentration is precipitated so that a Cr-deficient layer is formed in the base layer or nitrided layer. For this reason, the corrosion resistance of the separator is lowered. In contrast, when nitriding is performed at a temperature lower than 450 [° C.], the surface of the base material is not initially a nitride compound such as CrN having a NaCl type crystal structure, but mainly an M4N type crystal structure on the base material surface. A nitride layer is formed. At the same time, on the outermost surface of the base material, nitrogen ions are implanted from the surface in a state where Cr in the base layer is concentrated on the surface by plasma heating, thereby forming a nanometer order CrN layer on the outermost surface of the base material. The Thereby, a separator having improved corrosion resistance is obtained. Moreover, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained, and a fuel cell having excellent durability and reliability can be obtained at low cost.
なお、窒化温度が300[℃]を下回る場合には、Crの濃化が発生し難くなり、最表面にナノメータオーダのCrN層が形成し難くなる上、M4N型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300[℃]以上450[℃]未満の範囲で行うことが好ましい。また、第1の窒化層が、M4N型の結晶構造のマトリクスと、マトリクス中に形成されたε相と呼ばれるε−M2〜3N型の結晶構造の結晶層とを含む複合組織であり、結晶層を層間距離が数10〜数100[nm]の範囲で有し、第2の窒化層がMN型の結晶構造を有する窒化化合物の単層が形成されているものれあり、かつ、厚さを50[nm]以下とするためには、窒化処理は380[℃]以上450[℃]以下の範囲で行うことが好ましい。本発明の実施形態となる燃料電池用セパレータの製造方法において、基材にプレス成形を施して燃料又は酸化剤の通路を形成する段階を含む。この段階は、窒化の前後のいずれの段階で行ってもよいが、特に窒化の前に行うことが好ましい。この場合には、窒化層にクラック等の欠陥が生じない。 When the nitriding temperature is lower than 300 [° C.], Cr concentration is difficult to occur, and it is difficult to form a nanometer-order CrN layer on the outermost surface, and a nitride layer having an M4N type crystal structure is formed. In order to obtain it, since a long-time process is required, productivity deteriorates. For this reason, it is preferable to perform nitriding in the range of 300 [° C.] or higher and lower than 450 [° C.]. The first nitride layer has a composite structure including a matrix having an M4N type crystal structure and a crystal layer having an ε-M2-3N type crystal structure called an ε phase formed in the matrix. In which the interlayer distance is in the range of several tens to several hundreds [nm], the second nitride layer is formed with a single layer of a nitride compound having an MN type crystal structure, and the thickness is In order to set it to 50 [nm] or less, the nitriding treatment is preferably performed in the range of 380 [° C.] to 450 [° C.]. The method for producing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a step of forming a passage for a fuel or an oxidant by subjecting a base material to press molding. This step may be performed at any stage before or after nitriding, but is preferably performed before nitriding. In this case, defects such as cracks do not occur in the nitride layer.
第2の窒化層表面の酸化皮膜は、窒化処理前に空気(酸素)含有雰囲気でステンレス鋼を加熱処理する事前酸化処理、又は窒化処理後の酸洗によって形成することが望ましい。SiやMnを添加することにより酸化皮膜を形成する方法とは異なり、MnS等の耐食性を悪化させる析出部が存在しないので、金属イオンの溶出を少なくすることができる。また添加処理を行う必要がないので、コストが安くなる。 The oxide film on the surface of the second nitride layer is preferably formed by pre-oxidation treatment in which stainless steel is heat-treated in an air (oxygen) -containing atmosphere before nitriding treatment, or pickling after nitriding treatment. Unlike the method of forming an oxide film by adding Si or Mn, since there is no precipitation part such as MnS that deteriorates the corrosion resistance, elution of metal ions can be reduced. Moreover, since it is not necessary to perform an addition process, cost becomes cheap.
事前酸化処理の加熱温度及び加熱時間は、基材のステンレス鋼の成分に応じて結晶粒径及び機械的性質を考慮して、300〜1100[℃]及び0〜10[時間]の範囲内で行うことが望ましい。加熱温度が300[℃]以下である場合、酸化皮膜が十分に形成されないので、イオン溶出抑制効果が小さくなる。逆に加熱温度が1100[℃]以上である場合には、酸素が入りすぎる、又は結晶粒径が微細化するために接触抵抗が高くなる。 The heating temperature and heating time of the pre-oxidation treatment are within the range of 300 to 1100 [° C.] and 0 to 10 [hour] in consideration of the crystal grain size and mechanical properties according to the components of the stainless steel of the base material. It is desirable to do. When the heating temperature is 300 [° C.] or less, the oxide film is not sufficiently formed, and the ion elution suppression effect is reduced. On the other hand, when the heating temperature is 1100 [° C.] or higher, oxygen enters too much or the crystal grain size becomes finer, so that the contact resistance increases.
酸洗処理は、pH2〜4の硫酸,フッ酸,塩酸等の酸溶液を用いることが望ましい。また処理温度は室温〜80[℃]、処理時間は1分〜100時間の範囲内で行い、基材であるステンレス鋼の成分に適した条件で実施することが望ましい。酸溶液のpHが2以下である場合、窒化層までも溶解してしまう。また酸溶液のpHが4以上である場合や、処理温度が室温以下、処理時間が1分以下である場合には、酸洗の効果がない。また処理温度が80[℃]以上である場合や処理時間が100時間以上である場合には、酸化皮膜が厚くなりすぎて抵抗が増加する。 For the pickling treatment, it is desirable to use an acid solution of sulfuric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid or the like having a pH of 2 to 4. Further, the treatment temperature is preferably from room temperature to 80 [° C.], the treatment time is from 1 minute to 100 hours, and it is desirable to carry out under conditions suitable for the components of stainless steel as the substrate. When the pH of the acid solution is 2 or less, even the nitride layer is dissolved. Further, when the pH of the acid solution is 4 or more, or when the treatment temperature is room temperature or less and the treatment time is 1 minute or less, there is no pickling effect. Further, when the processing temperature is 80 [° C.] or higher or when the processing time is 100 hours or longer, the oxide film becomes too thick and the resistance increases.
〔燃料電池車両〕
本発明の実施形態となる燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施形態となる燃料電池スタック1を動力源とした燃料電池電気自動車50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
図6は、燃料電池スタック1を搭載した燃料電池電気自動車50の外観を示す図である。図6(a)は燃料電池電気自動車50の側面図、図6(b)は燃料電池電気自動車50の上面図である。図6(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6(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. 6 is a view showing an appearance of a fuel cell
本発明の実施形態とな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50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動力源として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。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。
By mounting the fuel cell stack 1 having high power generation efficiency to which the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention is mounted on a mobile vehicle such as an automobile, the fuel efficiency of the fuel cell
[実施例]
以下、本発明の実施形態となる燃料電池用セパレータの実施例及び比較例について説明する。
[Example]
Hereinafter, examples and comparative examples of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described.
[試料の調製]
実施例1及び比較例1では、基材として、JIS規格のSUS304L(18Cr−9Ni−低C)、SUS316L(18Cr−12Ni−2Mo−低C)、SUS310S(25Cr−20Ni−低C)を原材料とした厚さ0.1[mm]、□100×100[mm]の真空焼鈍材をセパレータ形状にプレス成形して用いた。セパレータ形状プレス成形材を脱脂洗浄した後、セパレータ形状プレス成形材の両面にマイクロパルス直流電源を用いたグロー放電によるプラズマ窒化をした。プラズマ窒化の条件は、窒化温度は380[℃]〜450 [℃]、窒化時間60[分]、窒化時のガス混合比N2:H2=7:3、処理圧力3[Torr](399[Pa])の範囲内とした。なお実施例1の試料では、第2の窒化層中のCr及びNの濃度が第1の窒化層中のCr及びNの原子濃度よりも多くなるように、第1の窒化層を形成する際のプラズマ窒化条件と第2の窒化層を形成する際のプラズマ窒化条件を異ならせた。一方比較例1の試料では、第1の窒化層を形成する際のプラズマ窒化条件と第2の窒化層を形成する際のプラズマ窒化条件を同じにした。
[Sample preparation]
In Example 1 and Comparative Example 1, JIS standard SUS304L (18Cr-9Ni-low C), SUS316L (18Cr-12Ni-2Mo-low C), and SUS310S (25Cr-20Ni-low C) as raw materials are used as base materials. The vacuum annealed material having a thickness of 0.1 [mm] and □ 100 × 100 [mm] was press-formed into a separator shape and used. After the separator-shaped press-molded material was degreased and cleaned, plasma nitridation by glow discharge using a micro-pulse DC power source was performed on both sides of the separator-shaped press-formed material. The conditions of plasma nitriding are as follows: nitriding temperature is 380 [° C.] to 450 [° C.], nitriding time is 60 [min], gas mixing ratio during nitriding N 2 : H 2 = 7: 3, processing pressure 3 [Torr] (399 [Pa]). In the sample of Example 1, when the first nitride layer is formed so that the concentration of Cr and N in the second nitride layer is higher than the atomic concentration of Cr and N in the first nitride layer. The plasma nitridation conditions for forming the second nitride layer were made different from those for the plasma nitridation. On the other hand, in the sample of Comparative Example 1, the plasma nitridation conditions for forming the first nitride layer and the plasma nitridation conditions for forming the second nitride layer were the same.
[評価]
得られた実施例1及び比較例1の試料を以下に示す評価法を用いて評価した。
[Evaluation]
The obtained samples of Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated using the evaluation methods shown below.
[第1及び第2の窒化層中のCr及びNの原子濃度]
実施例1及び比較例1の試料中のCr及びNの原子濃度は走査型オージェ電子分光分析装置(PHI社製MODEL4300)を用いて測定した。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],及びスパッタリングレート(SiO2換算値)10[nm/min]の条件で行った。そして最表面〜50nm深さにおけるCr及びNの原子濃度の最大値、及び50nm深さ〜5000nm深さにおけるCr及びNの原子濃度の最大値をそれぞれ第2の窒化層及び第1の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度として読み取った。測定結果を以下の表1に示す。
[Atomic concentrations of Cr and N in the first and second nitride layers]
The atomic concentrations of Cr and N in the samples of Example 1 and Comparative Example 1 were measured using a scanning Auger electron spectrometer (MODEL 4300 manufactured by PHI). The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement region of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate (SiO 2 conversion value) of 10 [nm / min]. I went there. Then, the maximum value of the atomic concentration of Cr and N in the outermost surface to a depth of 50 nm and the maximum value of the atomic concentration of Cr and N in a depth of 50 nm to 5000 nm are respectively in the second nitride layer and the first nitride layer. As the atomic concentration of Cr and N. The measurement results are shown in Table 1 below.
[接触抵抗値]
実施例1及び比較例1の試料の接触抵抗値は、後述する腐食試験の前後で圧力負荷接触電気抵抗測定装置(アルバック理工製TRS-2000SS)を用いて2回測定した。具体的には、実施例1及び比較例1の試料を□30[mm]×30[mm]の大きさに切り出した後、電極と試料との間にカーボンペーパーを介在させ、電極/カーボンペーパー/試料/電極の構成とした。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接触抵抗値として算出した。カーボンペーパーは、カーボンブラックを担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパー(東レ(株)製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φ10のCu製の電極を用いた。測定結果を以下の表1に示す。
[Contact resistance value]
The contact resistance values of the samples of Example 1 and Comparative Example 1 were measured twice using a pressure load contact electrical resistance measuring device (TRS-2000SS manufactured by ULVAC-RIKO) before and after the corrosion test described later. Specifically, after the samples of Example 1 and Comparative Example 1 were cut into a size of □ 30 [mm] × 30 [mm], carbon paper was interposed between the electrode and the sample, and the electrode / carbon paper / Sample / electrode configuration. And the electrical resistance at the time of flowing 1 [A / cm < 2 >] with the measurement surface pressure of 1.0 [MPa] was measured twice, and the average value of each electrical resistance was computed as a contact resistance value. Carbon paper is carbon paper coated with platinum catalyst supporting carbon black (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3 ], voids Ratio 73 [%], thickness direction volume resistivity 0.07 [Ω · cm 2 ]). An electrode made of Cu having a diameter of φ10 was used. The measurement results are shown in Table 1 below.
[腐食試験]
実施例1及び比較例1の試料を□30[mm]×30[mm]の大きさに切り出した後、pH4,温度80[℃]の硫酸水溶液中に100時間浸漬した。
[Corrosion test]
Samples of Example 1 and Comparative Example 1 were cut into a size of □ 30 [mm] × 30 [mm] and then immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 4 and a temperature of 80 [° C.] for 100 hours.
[表面5nm深さの酸素濃度]
表面5nm深さの酸素濃度は走査型オージェ電子分光分析装置(PHI社製MODEL4300)を用いて測定した。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],及びスパッタリングレート(SiO2換算値)10[nm/min]の条件で行った。測定結果を図7に示す。
The oxygen concentration at a depth of 5 nm on the surface was measured using a scanning Auger electron spectrometer (MODEL4300 manufactured by PHI). The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement region of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate (SiO 2 conversion value) of 10 [nm / min]. I went there. The measurement results are shown in FIG.
[考察]
表1に示すように、第2の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度が第1の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度よりも低い比較例1の試料については、腐食試験後の接触抵抗値は90〜150[mΩ・cm2]の範囲内となった。一方、第2の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度が第1の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度よりも多い実施例1の試料については、腐食試験後の接触抵抗値は30〜45[mΩ・cm2]の範囲内となった。このことから、第2の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度を第1の窒化層中におけるCr及びNの原子濃度よりも多くすることにより、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきを小さくできることが知見された。また図7に示すように、表面5nm深さにおける酸素濃度が20%以上である場合、腐食試験後の接触抵抗値が大きくなるのに対し、表面5nm深さにおける酸素濃度が20%以下である場合には、腐食試験後の接触抵抗値が小さくなる。このことから、表面5nm深さにおける酸素濃度を20%以下にすることにより、経時変化に伴う接触抵抗の変化及びばらつきを小さくできることが知見された。
[Discussion]
As shown in Table 1, for the sample of Comparative Example 1 in which the atomic concentration of Cr and N in the second nitride layer is lower than the atomic concentration of Cr and N in the first nitride layer, contact after the corrosion test The resistance value was in the range of 90 to 150 [mΩ · cm 2 ]. On the other hand, for the sample of Example 1 in which the atomic concentration of Cr and N in the second nitride layer is higher than the atomic concentration of Cr and N in the first nitride layer, the contact resistance value after the corrosion test is 30 to 30. It was within the range of 45 [mΩ · cm 2 ]. Therefore, by making the atomic concentration of Cr and N in the second nitride layer larger than the atomic concentration of Cr and N in the first nitride layer, the change and variation in contact resistance with time change can be reduced. It was found that it was possible. Further, as shown in FIG. 7, when the oxygen concentration at the surface depth of 5 nm is 20% or more, the contact resistance value after the corrosion test increases, whereas the oxygen concentration at the surface depth of 5 nm is 20% or less. In this case, the contact resistance value after the corrosion test becomes small. From this, it was found that by changing the oxygen concentration at a surface depth of 5 nm to 20% or less, changes and variations in contact resistance with time change can be reduced.
[試料の調製]
実施例2〜4及び比較例2,3では、基材として、JIS規格のSUS310S(25Cr−20Ni−低C)を原材料とした厚さ0.1[mm]の平板をセパレータ形状にプレス成形して用いた。セパレータ形状の平板を脱脂洗浄した後、事前酸化処理及びプラズマ窒化を実施した(比較例3はプラズマ窒化のみ)。事前酸化処理は、温度300〜400[℃],処理温度10〜60[分],大気圧下で実施した。プラズマ窒化の条件は、事前酸化処理のみの効果が確認できるように、実施例1及び比較例1と同じ条件とした。
[Sample preparation]
In Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3, a 0.1 [mm] flat plate made of JIS standard SUS310S (25Cr-20Ni-low C) as a base material was press-formed into a separator shape. Used. The separator-shaped flat plate was degreased and washed, and then pre-oxidation treatment and plasma nitriding were performed (Comparative Example 3 is only plasma nitriding). The pre-oxidation treatment was performed at a temperature of 300 to 400 [° C.], a treatment temperature of 10 to 60 [min], and atmospheric pressure. The plasma nitriding conditions were the same as those in Example 1 and Comparative Example 1 so that the effect of only the pre-oxidation treatment could be confirmed.
[評価]
得られた実施例2〜4及び比較例2,3の試料を以下に示す評価法を用いて評価した。
[Evaluation]
The obtained samples of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 were evaluated using the following evaluation methods.
[表面5nm深さの酸素濃度]
表面5nm深さの酸素濃度は走査型オージェ電子分光分析装置(PHI社製MODEL4300)を用いて測定した。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],及びスパッタリングレート(SiO2換算値)10[nm/min]の条件で行った。測定結果を以下の表2に示す。
[Oxygen concentration at 5 nm depth on the surface]
The oxygen concentration at a depth of 5 nm on the surface was measured using a scanning Auger electron spectrometer (MODEL4300 manufactured by PHI). The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement region of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate (SiO 2 conversion value) of 10 [nm / min]. I went there. The measurement results are shown in Table 2 below.
[接触抵抗値]
実施例2〜4及び比較例2,3の試料の接触抵抗値は、後述する腐食試験の前後で圧力負荷接触電気抵抗測定装置(アルバック理工製TRS-2000SS)を用いて2回測定した。具体的には、実施例2〜4及び比較例2,3の試料を□30[mm]×30[mm]の大きさに切り出した後、電極と試料との間にカーボンペーパーを介在させ、電極/カーボンペーパー/試料/電極の構成とした。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接触抵抗値として算出した。カーボンペーパーは、カーボンブラックを担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパー(東レ(株)製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φ10のCu製の電極を用いた。測定結果を以下の表2に示す。
[Contact resistance value]
The contact resistance values of the samples of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 were measured twice using a pressure load contact electrical resistance measuring device (TRS-2000SS manufactured by ULVAC-RIKO) before and after the corrosion test described later. Specifically, after cutting the samples of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 into a size of □ 30 [mm] × 30 [mm], carbon paper was interposed between the electrode and the sample, The configuration was electrode / carbon paper / sample / electrode. And the electrical resistance at the time of flowing 1 [A / cm < 2 >] with the measurement surface pressure of 1.0 [MPa] was measured twice, and the average value of each electrical resistance was computed as a contact resistance value. Carbon paper is carbon paper coated with platinum catalyst supporting carbon black (TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3 ], voids Ratio 73 [%], thickness direction volume resistivity 0.07 [Ω · cm 2 ]). An electrode made of Cu having a diameter of φ10 was used. The measurement results are shown in Table 2 below.
[腐食試験]
実施例2〜4及び比較例2,3の試料を□30[mm]×30[mm]の大きさに切り出した後、pH4,温度80[℃]の硫酸水溶液中に70時間浸漬した。
[Corrosion test]
Samples of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 were cut into a size of □ 30 [mm] × 30 [mm] and then immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 4 and a temperature of 80 [° C.] for 70 hours.
[イオン溶出性]
実施例2〜4及び比較例2,3の試料のイオン溶出性は、腐食試験後の溶液中の鉄イオン量を誘導結合プラズマ質量分析装置(エスアイアイ・ナノテクノジー製SPQ9000型ICP-MS)を用いて測定した。測定結果を以下の表2に示す。
The ion elution properties of the samples of Examples 2 to 4 and Comparative Examples 2 and 3 were measured using an inductively coupled plasma mass spectrometer (SPQ9000 type ICP-MS manufactured by SII Nano Technology) for the amount of iron ions in the solution after the corrosion test. And measured. The measurement results are shown in Table 2 below.
[考察]
表1に示すように、窒化層表面5nm深さの酸素濃度が5原子%以上である実施例2〜4及び比較例2の試料では、金属イオン溶出を溶出する酸化皮膜が緻密に形成されているので、イオン溶出量を低く抑えることができた。これに対し窒化層表面から5nm深さの酸素濃度が5原子%以下である比較例3の試料では、酸化皮膜が少ないために、イオン溶出量が多くなった。また窒化層表面5nm深さの酸素濃度が20原子%以下である実施例2〜4の試料では、初期の接触抵抗が低く、さらに腐食試験を行っても抵抗を低く維持することができた。これに対し窒化層表面から5nm深さの酸素濃度が20原子%以上である比較例2の試料では、導電性の低い酸化物によって初期の接触抵抗が高くなり、また窒化物が相互に連結した構造が崩れやすくなるために腐食試験後の接触抵抗が著しく高くなった。このことから、実施例2〜4の試料によれば、接触抵抗を低く維持し、イオン溶出を低く抑えられることが知見された。従って、実施例2〜4の試料を燃料電池セパレータに適用することにより、燃料電池の出力を高い状態で維持し、耐久性を向上させることができる。
[Discussion]
As shown in Table 1, in the samples of Examples 2 to 4 and Comparative Example 2 in which the oxygen concentration at the 5 nm depth of the nitride layer surface is 5 atomic% or more, the oxide film eluting the metal ion elution is densely formed. Therefore, the ion elution amount could be kept low. On the other hand, in the sample of Comparative Example 3 in which the oxygen concentration at a depth of 5 nm from the nitride layer surface was 5 atomic% or less, the amount of ion elution increased because of the small oxide film. Further, in the samples of Examples 2 to 4 in which the oxygen concentration at the 5 nm depth of the nitride layer surface was 20 atomic% or less, the initial contact resistance was low, and the resistance could be kept low even when the corrosion test was performed. On the other hand, in the sample of Comparative Example 2 in which the oxygen concentration at a depth of 5 nm from the nitride layer surface is 20 atomic% or more, the initial contact resistance is increased by the low conductivity oxide, and the nitrides are interconnected. The contact resistance after the corrosion test was remarkably increased due to the structure being easily broken. From this, it was found that according to the samples of Examples 2 to 4, the contact resistance can be kept low and ion elution can be kept low. Therefore, by applying the samples of Examples 2 to 4 to the fuel cell separator, the output of the fuel cell can be maintained in a high state and the durability can be improved.
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、この実施形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。 As mentioned above, although embodiment which applied the invention made by the present inventors was described, this invention is not limited by the description and drawing which make a part of indication of this invention by this embodiment. That is, it should be added that other embodiments, examples, operation techniques, and the like made by those skilled in the art based on this embodiment are all included in the scope of the present invention.
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
11:窒化層
11a:表面部
11b:第1の窒化層(第1の層)
11c:第2の窒化層(第2の層)
12:基層
13:流路
14:平板部
1: Fuel cell stack 2: Single cell 3: Fuel cell separator 4: End flange 5: Fastening bolt 10:
11c: second nitride layer (second layer)
12: Base layer 13: Channel 14: Flat plate portion
Claims (7)
前記第1の窒化層の表面の温度を450 [℃]より低い温度に保持してプラズマ窒化することにより、前記第1の窒化層の表面に、Cr及びNの原子濃度が前記第1の窒化層中のCr及びNの原子濃度よりも多い第2の窒化層を形成する工程と
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 Forming a first nitride layer on the surface of the base material by plasma nitriding while maintaining the temperature of the base material made of stainless steel at a temperature lower than 450 ° C .;
Plasma nitriding is performed while maintaining the surface temperature of the first nitride layer at a temperature lower than 450 [° C.], whereby the atomic concentration of Cr and N is increased on the surface of the first nitride layer. And a step of forming a second nitride layer having a higher atomic concentration of Cr and N in the layer.
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