JP2009293092A - Nitride of transition metal, separator for use in fuel cell, fuel cell stack, fuel cell vehicle, method for producing nitride of transition metal, and method for manufacturing separator for use in fuel cell - Google Patents

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典子 内山
Hirotaka Chiba
啓貴 千葉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a nitride of a transition metal, which has low contact resistance which is generated in between a separator and an electrode, is excellent in corrosion resistance and is produced at a low cost; a separator for use in a fuel cell; a fuel cell stack; and a fuel cell vehicle. <P>SOLUTION: The nitride of the transition metal is obtained by nitriding a substrate including an austenitic stainless steel, and includes a first layer (first nitrided layer) formed continuously on a base layer and a second layer (second nitrided layer) 13A formed continuously on the first layer. The second layer 13A has precipitates projecting from the surface thereof. The precipitate projecting from the surface of the second layer 13A includes an aggregate in which a plurality of nitrides 13C having an M<SB>4</SB>N type crystal structure comprising cubic crystals mainly containing Fe and a plurality of nitrides 13B having a CrN type crystal structure comprising hexagonal crystals mainly containing Cr are gathered, and has a Cr oxide film 13D formed on the surface. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

この発明は、遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、遷移金属窒化物の製造方法及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a transition metal nitride, a fuel cell separator, a fuel cell stack, a fuel cell vehicle, a method for producing a transition metal nitride, and a method for producing a fuel cell separator.

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14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14に示すように、単セル200は、固体高分子電解質膜201の両側に酸素極202及び水素極203を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極202及び水素極203は、反応膜204及びガス拡散層205(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜204は固体高分子電解質膜201に接触している。酸素極202及び水素極203の両側には、積層のために酸素極側セパレータ206及び水素極側セパレータ207が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ206及び水素極側セパレータ207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. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 14, the single cell 200 has a membrane electrode assembly in which an oxygen electrode 202 and a hydrogen electrode 203 are integrated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 201. The oxygen electrode 202 and the hydrogen electrode 203 have a two-layer structure including a reaction film 204 and a gas diffusion layer 205 (GDL: gas diffusion layer), and the reaction film 204 is in contact with the solid polymer electrolyte film 201. On both sides of the oxygen electrode 202 and the hydrogen electrode 203, an oxygen electrode side separator 206 and a hydrogen electrode side separator 207 are respectively installed for lamination. The oxygen electrode side separator 206 and the hydrogen electrode side separator 207 form an oxygen gas channel, a hydrogen gas channel, and a cooling water channel.

上記構成の単セル200は、固体高分子電解質膜201の両側に酸素極202、水素極203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206、207を配置して製造する。上記単セル200から構成される燃料電池では、水素極203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202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201と反応膜204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 unit cell 200 having the above-described configuration, the oxygen electrode 202 and the hydrogen electrode 203 are arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 201, and are usually joined together by a hot press method to form a membrane electrode assembly. The separators 206 and 207 are disposed on both sides of the membrane electrode assembly. In the fuel cell including the single cell 200, when a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen, and water vapor is supplied to the hydrogen electrode 203 side, and air and water vapor are supplied to the oxygen electrode 202 side, An electrochemical reaction occurs at the contact surface between the molecular electrolyte membrane 201 and the reaction membrane 204. Hereinafter, a more specific reaction will be described.

上記構成の単セル200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205を介して反応膜204側に供給され、各反応膜204において以下に示す反応が起こる。   In the single cell 200 configured as described above, when oxygen gas and hydrogen gas are respectively supplied to the oxygen gas flow channel and the hydrogen gas flow channel, the oxygen gas and hydrogen gas are supplied to the reaction film 204 side through the gas diffusion layers 205. Then, the following reactions occur in each reaction film 204.

水素極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
酸素極側:(1/2)O2+2H+ + 2e-→H2O ・・・式(2)
水素極203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201内を移動して酸素極202側に流れ、e- は負荷208を通って水素極203から酸素極202に流れる。酸素極202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 Expression (1)
Oxygen electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
When hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 203 side, the reaction of the formula (1) proceeds, and H + and e are generated. H + moves through the solid polymer electrolyte membrane 201 in a hydrated state and flows to the oxygen electrode 202 side, and e flows from the hydrogen electrode 203 to the oxygen electrode 202 through the load 208. On the oxygen electrode 202 side, the reaction of Formula (2) proceeds by H + , e −, and the supplied oxygen gas to generate electric power.

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pH2〜4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自然電位から最大で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け出すことにより、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 2-4. 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 1 [Vvs SHE] is loaded from the natural potential 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 dissolves in the humidified water or the water generated by the reaction of the formula (2), so that the cation is bonded 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.

また、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/cm]で使用される。電流密度が1[A/cm]の時には、セパレータと電極間の接触抵抗が40[mΩ・cm]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. Descent. 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 electrode is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, the efficiency reduction due to the contact resistance can be suppressed.

そこで、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。   Therefore, attempts have been made to use a titanium material such as stainless steel or industrial pure titanium, which has good 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.

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)。
特開平10−228914号公報(第2頁、第2図) 特開2001−6713号公報(第2頁)
Therefore, a fuel cell separator in which a gold plating layer is directly formed on a contact surface with an electrode after press forming stainless steel has been proposed (see Patent Document 1). In addition, a fuel cell separator in which a noble metal or a noble metal alloy is adhered by removing stainless steel from a passive film formed on a surface that generates contact resistance by contact with an electrode after being formed into a fuel cell separator shape. Has been proposed (see Patent Document 2).
Japanese Patent Laid-Open No. 10-228914 (2nd page, FIG. 2) JP 2001-6713 A (page 2)

しかしながら、ステンレス鋼をセパレータ基材に用いる場合、導電性と接触抵抗は相反する性質であるために、耐食性と導電性の両立は難しい。また、ステンレス鋼の表面に貴金属等をコーティングする場合には、製造時の手間がかかるだけでなく、コストが増大する可能性がある。   However, when stainless steel is used for the separator base material, since conductivity and contact resistance are contradictory properties, it is difficult to achieve both corrosion resistance and conductivity. In addition, when the surface of stainless steel is coated with a noble metal or the like, not only is it time-consuming for manufacturing, but the cost may increase.

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、本発明に係る遷移金属窒化物は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化することにより得られる遷移金属窒化物であって、この遷移金属窒化物は、基材によって形成された基層の上に連続して形成され、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層と、この第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層とを備え、第2の層は第2の層の表面部から突出した析出物を有し、第2の層の表面部から突出した析出物は、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体を含み、かつ表面にCr酸化膜を有する第2の層の表面部から突出した析出物を有することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, the transition metal nitride according to the present invention is a transition metal nitride obtained by nitriding a substrate containing austenitic stainless steel, The transition metal nitride is continuously formed on a base layer formed by a base material, and has a cubic M 4 N type crystal structure and a hexagonal M 2-3 N type crystal structure. A first layer having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a crystal structure, and a hexagonal Cr 2 N, CrN, and M 2-3 N type formed continuously on the first layer. And a nitride having at least one crystal structure of a cubic M 4 N type crystal structure, and is continuous in the depth direction from the surface of the substrate as a surface nitriding portion of the substrate And the second layer is formed of the second layer. Having precipitates projecting from face portion, precipitates projecting from the surface portion of the second layer, a CrN hexagonal nitride and Cr mainly with M 4 N type cubic crystal structure of Fe principal And a precipitate projecting from the surface portion of the second layer having a Cr oxide film on the surface thereof.

本発明に係る燃料電池用セパレータは、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材から形成された基層と、この基層の直接上に形成された本発明に係る遷移金属窒化物の窒化層を備えることを特徴とする。   A fuel cell separator according to the present invention includes a base layer formed of a base material containing austenitic stainless steel, and a transition metal nitride nitride layer according to the present invention formed directly on the base layer. And

本発明に係る遷移金属窒化物の製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化して形成される遷移金属窒化物の製造方法であって、基材表面に、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層を形成し、第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層を形成し、第2の層を形成した後に、第2の層の表面を酸により酸化処理することを特徴とする。 A method for producing a transition metal nitride according to the present invention is a method for producing a transition metal nitride formed by nitriding a base material containing austenitic stainless steel, and a cubic M 4 N is formed on the surface of the base material. Forming a first layer having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a crystal structure of a type and a nitride having a hexagonal M 2-3 N-type crystal structure, and over the first layer And a nitride having at least one of a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure and a cubic M 4 N type crystal structure And forming a second layer formed continuously from the surface of the base material in the depth direction as a surface nitriding portion of the base material, and after forming the second layer, the surface of the second layer is It is characterized by oxidation treatment with an acid.

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材にプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成するプレス成形し、プレス成形された基材を窒化して、この基材表面に立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層を形成し、この第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層を形成し、第2の層を形成した後に、第2の層の表面を酸により酸化処理することを特徴とする。 The method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention includes press forming a base material containing austenitic stainless steel to form a fuel or oxidant passage, nitriding the press-formed base material, The substrate surface has a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a cubic M 4 N type crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N type crystal structure. Formed in succession on this first layer, hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structures, and cubic M 4 N type crystal structures Including a nitride having at least one crystal structure, and forming a second layer formed continuously from the surface of the substrate in the depth direction as a surface nitriding portion of the substrate; The surface of the second layer is oxidized with an acid after forming To.

本発明に係る燃料電池スタックは、本発明に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする。   The fuel cell stack according to the present invention is characterized by using the fuel cell separator according to the present invention.

本発明に係る燃料電池車両は、本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特徴とする。   A fuel cell vehicle according to the present invention includes the fuel cell stack according to the present invention as a power source.

本発明によれば、強酸雰囲気においても導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備え、低コストで生産性が良好である遷移金属窒化物を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the transition metal nitride which has the chemical stability and corrosion resistance which maintain an electroconductive function also in a strong acid atmosphere, and low cost and favorable productivity can be provided.

本発明によれば、燃料電池環境下の硫酸酸性環境においてもセパレータと電極間で発生する接触抵抗が低く、耐食性にも優れており、かつ製造コストの低い燃料電池用セパレータを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the contact resistance generate | occur | produced between a separator and an electrode is low also in the sulfuric acid environment under a fuel cell environment, it is excellent in corrosion resistance, and the separator for fuel cells with low manufacturing cost can be provided. .

本発明によれば、相反する導電性と耐食性を兼ね備える遷移金属窒化物の窒化層をステンレス鋼表面に形成することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to form a transition metal nitride nitride layer having both opposite conductivity and corrosion resistance on the stainless steel surface.

本発明によれば、導電性と耐食性に優れた燃料電池用セパレータを製造することが可能となる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a fuel cell separator having excellent conductivity and corrosion resistance.

本発明によれば、高性能で、かつ小型化及び低コスト化した燃料電池スタックを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a high-performance fuel cell stack that is downsized and reduced in cost.

本発明によれば、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、走行距離の長距離化を実現でき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 present invention, by mounting a fuel cell stack that is downsized and reduced in cost, it is possible to realize a longer travel distance and to ensure a degree of freedom in styling.

以下、本発明に係る遷移金属窒化物、燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、燃料電池車両、遷移金属窒化物の製造方法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, the transition metal nitride, the separator for fuel cell, the fuel cell stack, the fuel cell vehicle, the method for producing the transition metal nitride, and the method for producing the separator for the fuel cell according to the present invention are applied to the polymer electrolyte fuel cell. An example will be described.

(遷移金属窒化物、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3を用いて構成した燃料電池スタック1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。
(Transition metal nitrides, fuel cell separators and fuel cell stacks)
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell stack 1 constituted by using a fuel cell separator 3 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画成する。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 fuel cell stack 1 is configured by alternately stacking a plurality of unit cells 2 and fuel cell separators 3 as basic units for generating power by electrochemical reaction. Each single cell 2 forms a membrane electrode assembly by forming a gas diffusion layer having an oxidizer electrode and a gas diffusion layer having a fuel electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and is formed on both sides of the membrane electrode assembly. The fuel cell separator 3 is disposed, and an oxidant gas flow path and a fuel gas flow path are respectively defined inside the fuel cell separator 3. 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 fuel cell separator 3, end flanges 4 are arranged at both ends, and the outer peripheral portion is fastened by fastening bolts 5 to constitute the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 includes a hydrogen supply line for supplying a fuel gas containing hydrogen such as hydrogen gas to each single cell 2, an air supply line for supplying air as an oxidant gas, and cooling water. A cooling water supply line is provided.

図2に示した燃料電池用セパレータ3の詳細を説明する。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4(a)は、図3(c)の要部の拡大模式図、図4(b)は燃料電池用セパレータ3の第2の窒化層11cの模式的断面図である。図3に示すように、燃料電池用セパレータ3は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材10を原料とし、基材10の表面窒化処理部としての表面部10aを窒化することにより得られ、基材10の表面部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。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。   Details of the fuel cell separator 3 shown in FIG. 2 will be described. 3 (a) is a schematic perspective view of the fuel cell separator 3, FIG. 3 (b) is a sectional view taken along the line IIIb-IIIb in which the main part of the fuel cell separator 3 is emphasized in an easily understandable manner, and FIG. 3 (c). These are the IIIc-IIIc sectional view taken on the line which emphasized the principal part of the separator 3 for fuel cells clearly. FIG. 4A is an enlarged schematic view of the main part of FIG. 3C, and FIG. 4B is a schematic cross-sectional view of the second nitride layer 11c of the fuel cell separator 3. FIG. As shown in FIG. 3, the fuel cell separator 3 is obtained by nitriding a surface portion 10a as a surface nitriding portion of the base material 10 using a base material 10 containing austenitic stainless steel as a raw material. 10 includes a nitride layer 11 formed in the depth direction of the surface portion 10a and a base layer 12 which is an unnitrided layer that is not nitrided. The fuel cell separator 3 is formed with a groove-like flow path 13 of fuel or oxidant having a rectangular cross section by press molding. A flat plate portion 14 defined by the flow channel 13 and the flow channel 13 is provided between the flow channel 13 and the flow channel 13, and the nitride layer 11 extends along the outer surfaces of the flow channel 13 and the flat plate portion 14. To do. The flat plate portion 14 contacts the gas diffusion layer on the adjacent solid polymer membrane when the fuel cell separators 3 and the single cells 2 are alternately laminated.

基層12は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選択される少なくとも一種以上の元素を含有するオーステナイト系ステンレス鋼から形成される。オーステナイト系ステンレス鋼は面心立方格子の結晶構造をとる。   The base layer 12 is formed from an austenitic stainless steel containing at least one element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni, and Mo. Austenitic stainless steel has a face-centered cubic lattice crystal structure.

窒化層11は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化することにより得られる遷移金属窒化物を含むものであり、MN型、M4N型及びM2−3N型の結晶構造を含む。Mは、Cr、Fe、Ni及びMoの群から選択される遷移金属元素を示す。図3(c)及び図4に示すように、窒化層11は、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の上に連続して形成され、窒化層11の表面部11aを含む窒化層11の最表面である第2の窒化層(第2の層)11cとを備える。窒化層11の表面部11aは、窒化により基材10の表面部10aに窒素が固溶したものである。 The nitride layer 11 includes a transition metal nitride obtained by nitriding a base material including austenitic stainless steel, and includes crystal structures of MN type, M 4 N type, and M 2-3 N type. M represents a transition metal element selected from the group consisting of Cr, Fe, Ni and Mo. As shown in FIGS. 3C and 4, the nitride layer 11 is continuously formed on the first nitride layer (first layer) 11 b formed on the base layer 12 and the first nitride layer 11 b. And a second nitride layer (second layer) 11c which is the outermost surface of the nitride layer 11 including the surface portion 11a of the nitride layer 11. The surface portion 11a of the nitrided layer 11 is a solution in which nitrogen is dissolved in the surface portion 10a of the base material 10 by nitriding.

第1の窒化層11bは、基材10によって形成された基層12の上に連続して形成され、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造11bを有する。ナノレベルの積層結晶構造11bは、M4N型及びM2-3N型の結晶構造が積層された構造を含む。 The first nitride layer 11b is continuously formed on the base layer 12 formed by the base material 10, and has a cubic M 4 N type crystal structure and a hexagonal M 2-3 N type. And a nano-level stacked crystal structure 11b 1 including a nitride having a crystal structure of The nano-level stacked crystal structure 11b 1 includes a structure in which M 4 N-type and M 2-3 N-type crystal structures are stacked.

第2の窒化層11cは、第1の窒化層11bの上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材10の表面窒化処理部としての基材10の表面部10aから深さ方向に連続して形成されている。窒化層11の表面部11aは、Cr及び窒素が濃化した組織であり、MN型、M4N型及びM2−3N型の結晶構造を含む。 The second nitride layer 11c is continuously formed on the first nitride layer 11b, and has a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure, and a cubic M 4 N type. The nitride has a crystal structure of at least one of the crystal structures, and is formed continuously from the surface portion 10a of the base material 10 as the surface nitriding portion of the base material 10 in the depth direction. The surface portion 11a of the nitride layer 11 has a structure in which Cr and nitrogen are concentrated, and includes MN-type, M 4 N-type, and M 2-3 N-type crystal structures.

図4(b)に示すように、窒化層11の表面部11aは、表面部11aから不規則に突出した複数の微小な析出物11a(i=1〜n)を有する。例えば、析出物11aは、窒化層11の表面部11aから最大で高さhだけ突出している。析出物11aは、窒化層11の表面部11aから最大で高さhだけ突出している。析出物11aは、窒化層11の表面部11aから最大で高さhだけ突出している。窒化層11の表面部11aに対する析出物11a、11a、11aの最大の高さh、h、hとなっている。これらの析出物11aは、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体を含み、かつ表面にCr酸化膜11oを有する。析出物11aの表面のCr酸化膜11oは、後述するように、窒化層11を形成した後に、形成した窒化層11の表面部11aを酸により酸化処理することにより得られるものである。 As shown in FIG. 4B, the surface portion 11a of the nitride layer 11 has a plurality of minute precipitates 11a i (i = 1 to n) protruding irregularly from the surface portion 11a. For example, the precipitate 11a 1 protrudes from the surface portion 11a of the nitride layer 11 by a height h 1 at the maximum. The precipitate 11a 2 protrudes from the surface portion 11a of the nitride layer 11 by a height h 2 at the maximum. The precipitate 11a 3 protrudes from the surface portion 11a of the nitride layer 11 by a height h 3 at the maximum. The maximum heights h 1 , h 2 , and h 3 of the precipitates 11a 1 , 11a 2 , and 11a 3 with respect to the surface portion 11a of the nitride layer 11 are obtained. These precipitates 11a i include an aggregate in which a plurality of nitrides having a Fe-based cubic M 4 N type crystal structure and Cr-based hexagonal CrN are gathered, and a Cr oxide film 11o is formed on the surface. Have Cr oxide film 11o of the surface of the deposit 11a i, as described below, in which after the formation of the nitride layer 11 is obtained by oxidizing the surface portion 11a of the nitride layer 11 formed by the acid.

セパレータ表面に単に窒化層を設けるだけでは、例えば、接触抵抗が低く導電性に優れるものでは、鉄イオン溶出量が多く耐食性が悪化する傾向にあったり、逆に、鉄イオン溶出量が少なく、耐食性に優れるものでは、接触抵抗が高く、導電性に劣る傾向にある。このため、燃料電池スタックの大幅小型、軽量化に対応し得るには、燃料電池用セパレータの耐食性と導電性の向上を図る必要があり、導電性と接触抵抗は相反する特性を両立させ、性能を優れたものとするために、窒化層の改良は解決すべき重要な課題となっている。   By simply providing a nitride layer on the separator surface, for example, those with low contact resistance and excellent conductivity tend to have a high iron ion elution amount and a tendency to deteriorate the corrosion resistance. Conversely, the iron ion elution amount is small and the corrosion resistance is low. Those having excellent resistance tend to have high contact resistance and poor conductivity. For this reason, it is necessary to improve the corrosion resistance and conductivity of the fuel cell separator in order to cope with the drastic reduction in size and weight of the fuel cell stack. Improvement of the nitride layer is an important issue to be solved in order to make the film excellent.

本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータ3では、窒化層11が上記した構造を有していることにより、燃料電池の水素極のような強酸性の酸化環境下においても、窒化層11を構成する遷移金属窒化物が燃料電池用セパレータ3からの金属イオンの溶出を低く抑え、耐食性に優れたものとする。この場合、燃料電池用セパレータ3は電気伝導性能を維持する耐久性に優れ、耐食性と導電性とが両立し、かつ製造コストが低く抑えられる。これに加えて、この遷移金属窒化物によって、燃料電池の空気を導入する酸素極のような強酸性雰囲気下においても燃料電池用セパレータ3を電気伝導性能を維持する耐久性に優れたものとし、燃料電池用セパレータ3は導電性に優れるようになる。この上、強酸性の酸化環境下においても燃料電池用セパレータ3からの金属イオンの溶出が低く抑えられ、耐食性と導電性とが両立し、かつ製造コストが低く抑えられる。このように、燃料電池用セパレータとして必要な導電性、セパレータ使用環境下における導電性の性質を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備え、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提供することができる。   In the fuel cell separator 3 according to the embodiment of the present invention, since the nitride layer 11 has the structure described above, the nitride layer 11 can be used even in a strongly acidic oxidizing environment such as a hydrogen electrode of a fuel cell. The transition metal nitride that constitutes the material suppresses elution of metal ions from the fuel cell separator 3 and is excellent in corrosion resistance. In this case, the fuel cell separator 3 is excellent in durability for maintaining the electric conduction performance, the corrosion resistance and the conductivity are compatible, and the manufacturing cost can be kept low. In addition to this, the transition metal nitride makes the fuel cell separator 3 excellent in durability to maintain electric conductivity even in a strongly acidic atmosphere such as an oxygen electrode for introducing air into the fuel cell. The fuel cell separator 3 is excellent in conductivity. In addition, the elution of metal ions from the fuel cell separator 3 is suppressed to a low level even in a strongly acidic oxidizing environment, and both corrosion resistance and conductivity are compatible, and the manufacturing cost is suppressed to a low level. In this way, it combines the necessary electrical conductivity as a separator for fuel cells and the chemical stability and corrosion resistance to maintain the conductivity properties in the separator use environment, and it is low in cost and has good productivity, and adjacent gas diffusion. It is possible to provide a fuel cell separator having a low contact resistance with a constituent material such as an electrode and having good power generation performance of the fuel cell.

また、第2の窒化層11cの表面部11aが複数の微小な析出物11aを有するため、燃料電池用セパレータ3とサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物11aが入り、実際の接触面積(点)が増える。このため、燃料電池用セパレータ3とカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く抑え、導電性に優れるようになる。 Moreover, since it has a surface portion 11a are a plurality of fine precipitates 11a i of the second nitride layer 11c, in contact with the carbon paper made of carbon fiber for the separator 3 and the sub-micron unit fuel cell, the carbon fiber gap Precipitates 11a i enter and the actual contact area (points) increases. For this reason, the contact resistance between the fuel cell separator 3 and the carbon paper is kept low, and the conductivity becomes excellent.

このような窒素濃度及びCr濃度が高く、表面に複数の微小な析出物を有する窒化層は、特にCr濃度の高いオーステナイト系ステンレス鋼を含む基材をプラズマ窒化することにより容易に得られるものである。また、析出物表面のCr酸化膜は、この窒化層を酸により酸化処理することで容易に得られるものである。   Such a nitrided layer having a high nitrogen concentration and a high Cr concentration and having a plurality of fine precipitates on the surface can be easily obtained by plasma nitriding a base material including austenitic stainless steel having a particularly high Cr concentration. is there. The Cr oxide film on the precipitate surface can be easily obtained by oxidizing this nitride layer with an acid.

次に、各結晶構造の詳細を示す。図5(a)はMN型結晶構造を示す模式図、図5(b)はM2〜3N型の六方晶の結晶構造である。オーステナイト系ステンレス鋼は面心立方格子の結晶構造をとる。この面心立方格子の結晶構造をとる基材10の表面部10aを窒化すると、図5(a)に示すMN型結晶構造となる。つまり、窒化処理により面心立方格子内に侵入する窒素原子22が、遷移金属原子(M)24(又は21)から形成される面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に配置されてMN型結晶構造20となる。ここで、MN型のMは、Fe、Cr、Ni、Moの中から選ばれた遷移金属原子24(又は21)を表し、Nは窒素原子22を表す。窒素原子22はMN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、MN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。また、このMN型結晶構造20では、Fe、Cr、Ni、Moの中から選ばれた遷移金属原子24(又は21)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でも良い。 Next, details of each crystal structure are shown. FIG. 5A is a schematic diagram showing an M 4 N-type crystal structure, and FIG. 5B is an M 2-3 N-type hexagonal crystal structure. Austenitic stainless steel has a face-centered cubic lattice crystal structure. When the surface portion 10a of the base material 10 having the crystal structure of the face-centered cubic lattice is nitrided, an M 4 N type crystal structure shown in FIG. 5A is obtained. That is, the nitrogen atoms 22 that enter the face-centered cubic lattice by nitriding are arranged in the octahedral space at the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice formed from the transition metal atoms (M) 24 (or 21). 4 N-type crystal structure 20 is obtained. Here, M in the M 4 N type represents a transition metal atom 24 (or 21) selected from Fe, Cr, Ni, and Mo, and N represents a nitrogen atom 22. The nitrogen atoms 22 occupy 1/4 of the octahedral voids at the center of the unit cell of the M 4 N type crystal structure 20. That is, the M 4 N-type crystal structure 20 is an interstitial solid solution in which nitrogen atoms 22 invade into octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice of transition metal atoms 21, and is represented by a cubic lattice of lattices. Nitrogen atoms 22 are located at lattice coordinates (1/2, 1/2, 1/2) of each unit cell. In the M 4 N-type crystal structure 20, the transition metal atom 24 (or 21) selected from Fe, Cr, Ni, and Mo is mainly composed of Fe, but Fe is composed of Cr, Ni, Mo, or the like. An alloy partially substituted with another transition metal atom may be used.

このMN型結晶構造は、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。また、このMN型結晶構造20は、遷移金属原子M間(例えば、図5(a)中、Fe原子24と、それに隣り合うFe,Cr又はNi原子との間)の各金属結合23を保ったままそれら遷移金属原子Mの各一を窒素原子N22と強い共有結合25で結んでおり、これにより各遷移金属原子M24(又は21)の酸化に対する反応性が低下する。このため、MN型結晶構造20を有する窒化層11は、pH2〜4の強酸性雰囲気においても耐食性に優れる。また、遷移金属原子M24(又は21)間の金属結合23により、導電性が保たれる。また、M4N型結晶構造20は、基層12と同じく面心立方格子の結晶構造をとる。このため、基層12と基層12の上に形成された窒化層11とは整合性が良く、基層12と窒化層11との間で電子の移動が容易になり、この窒化層11を有する燃料電池用セパレータ3は導電性に優れる。なお、図5(a)において、符号25aで示している結合も、遷移金属原子M24(又は21)と窒素原子N22との間の共有結合である。 This M 4 N-type crystal structure is considered to be a fcc or fct structure nitride with high density of dislocations and twins, a hardness as high as 1000 [Hv] or higher, and nitrogen in a supersaturated solid solution. (Yasuma, 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. Further, this M 4 N-type crystal structure 20 includes metal bonds 23 between transition metal atoms M (for example, between Fe atoms 24 and adjacent Fe, Cr, or Ni atoms in FIG. 5A). Each of the transition metal atoms M is connected to the nitrogen atom N22 by a strong covalent bond 25 while maintaining the above, thereby reducing the reactivity of each transition metal atom M24 (or 21) to oxidation. For this reason, the nitride layer 11 having the M 4 N-type crystal structure 20 is excellent in corrosion resistance even in a strongly acidic atmosphere of pH 2-4. In addition, conductivity is maintained by the metal bond 23 between the transition metal atoms M24 (or 21). In addition, the M 4 N-type crystal structure 20 has a face-centered cubic lattice crystal structure similar to the base layer 12. For this reason, the base layer 12 and the nitride layer 11 formed on the base layer 12 have good consistency, and the movement of electrons between the base layer 12 and the nitride layer 11 is facilitated. A fuel cell having the nitride layer 11 The separator 3 for use is excellent in conductivity. In FIG. 5A, the bond indicated by reference numeral 25a is also a covalent bond between the transition metal atom M24 (or 21) and the nitrogen atom N22.

N型結晶構造20を形成するFe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子Mは、不規則に混合されていることが好ましい。各遷移金属の原子Mが不規則な位置に分散され、その遷移金属の成分の部分モル自由エネルギが低下して、遷移金属原子Mの活量が低く抑えられる。これに伴い、窒化層11中の各遷移金属原子M24(又は21)の、酸化に対する反応性を低くおさえることができる。そして、燃料電池内の酸化性環境下においても窒化層11は化学的安定性を有する。このため、燃料電池用セパレータ3と、対応するカーボンペーパ等の電極との間の接触抵抗を低く維持でき、燃料電池用セパレータ3の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、金めっき等により貴金属めっき層を形成することなく接触抵抗を低く維持できるため、低コスト化を実現することができる。 The transition metal atoms M selected from Fe, Cr, Ni and Mo forming the M 4 N-type crystal structure 20 are preferably mixed irregularly. The atoms M of each transition metal are dispersed at irregular positions, the partial molar free energy of the component of the transition metal is lowered, and the activity of the transition metal atom M is kept low. Accordingly, the reactivity of each transition metal atom M24 (or 21) in the nitride layer 11 to oxidation can be kept low. The nitride layer 11 has chemical stability even in an oxidizing environment within the fuel cell. For this reason, the contact resistance between the fuel cell separator 3 and the corresponding electrode such as carbon paper can be kept low, and the durability of the fuel cell separator 3 can be enhanced. In addition, since the contact resistance can be kept low without forming a noble metal plating layer by gold plating or the like on the separator 3 serving as a contact surface with the electrode, cost reduction can be realized.

また、面心立方格子を形成するFe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子M24(又は21)は、不規則に混合して、混合エントロピを増大させ各遷移金属の成分の部分モル自由エネルギを低下させるか、又は、各遷移金属原子M24(又は21)の活量をラウールの法則により推定されるより低くすることが好ましい。これにより、更にまた、各金属元素M24(又は21)の酸化に対する反応性を低下させることができ、化学的安定性が向上する。   In addition, transition metal atoms M24 (or 21) selected from Fe, Cr, Ni and Mo forming a face-centered cubic lattice are mixed irregularly to increase the mixing entropy and increase the component of each transition metal. It is preferred to reduce the partial molar free energy or to lower the activity of each transition metal atom M24 (or 21) than estimated by Raoul's law. Thereby, the reactivity with respect to the oxidation of each metal element M24 (or 21) can be further reduced, and the chemical stability is improved.

次に、図5(b)に示すM2〜3N型の六方晶の結晶構造26について説明する。この結晶構造は、先の面心立方(fcc)格子と共に、剛体球としての粒子(すなわち、図5(b)の遷移金属原子M27及び窒素原子N28)を最も密に充填したときに得られる結晶格子であり、最密六方又は六方最密(hcp)格子と呼ばれる。面心立方(fcc)格子と最密六方(hcp)格子の違いは、六方対称な稠密の原子面を、ABABの順に重ねるとhcp格子になり、ABCABCだとfcc格子になるに過ぎない。ここに、A、B、Cは原子の位置の関係を示す記号である。このように、fcc格子とhcp格子は、結晶構造的にも高い整合性を有するため、電子の移動がスムーズであり、導電性に寄与する等、相互に深い関係を有する。 Next, the M 2-3 N type hexagonal crystal structure 26 shown in FIG. 5B will be described. This crystal structure is a crystal obtained when particles as hard spheres (that is, transition metal atoms M27 and nitrogen atoms N28 in FIG. 5B) are packed most closely together with the face-centered cubic (fcc) lattice. A lattice, called a close-packed hexagonal or hexagonal close-packed (hcp) lattice. The difference between a face-centered cubic (fcc) lattice and a close-packed hexagonal (hcp) lattice is that if hexagonal symmetric dense atomic planes are stacked in the order of ABAB, it becomes an hcp lattice, and ABCABC only becomes an fcc lattice. Here, A, B, and C are symbols indicating the positional relationship of atoms. As described above, the fcc lattice and the hcp lattice have a high matching property in terms of crystal structure, and thus have a deep relationship with each other, such as smooth electron movement and contribution to conductivity.

2〜3N型の六方晶の結晶構造26は、以下のようにして形成される。M4N型結晶構造20の窒化物の固溶窒素が過飽和状態になると、M4N型よりもより高窒素なM2〜3N型の結晶構造を有する窒化物が、M4N型結晶構造20の窒化物の積層欠陥上に析出するようになる。つまり、M4N型の結晶構造20をマトリクスとし、同じ結晶面内で数[nm]程度の間隔で積層欠陥が生じ、積層欠陥上に層間距離数[nm]程度のM2〜3N窒化物が層状に析出する。 The M 2-3 N-type hexagonal crystal structure 26 is formed as follows. M 4 when dissolved nitrogen nitrides N-type crystal structure 20 is supersaturated, nitrides having a higher nitrogen of M 2 to 3 N-type crystal structure than M 4 N type, M 4 N-type crystal It will precipitate on the stacking faults of the structure 20 nitride. That is, with the M 4 N-type crystal structure 20 as a matrix, stacking faults are generated at intervals of about several [nm] in the same crystal plane, and M 2-3 N nitriding with an interlayer distance of about several nm is formed on the stacking faults. A thing precipitates in layers.

また、M4N型の結晶構造20をマトリクスとし、積層欠陥上に層間距離数[nm]程度のM2〜3N窒化物が層状に析出した窒化物の窒素量、すなわち、窒化層11の表面部11aから100[nm]深さ位置での窒素量が多くなればなるほど、化学的に安定し、遷移金属原子の反応性が低下する結果、硫酸環境下でも接触抵抗が低く抑えられ、導電性が維持される。 Further, using the M 4 N-type crystal structure 20 as a matrix, the amount of nitride nitrogen in which M 2-3 N nitride having an interlayer distance of about [nm] is deposited on the stacking fault, ie, the nitride layer 11 As the amount of nitrogen at a depth of 100 [nm] from the surface portion 11a increases, the chemical stability becomes stable and the reactivity of transition metal atoms decreases. As a result, the contact resistance is kept low even in a sulfuric acid environment. Sex is maintained.

2〜3N型の六方晶の結晶構造26は、Crを主体としていることが好ましい。Crは、M4N型の結晶構造20及びM2〜3N型の六方晶の結晶構造26を構成する遷移金属原子M24(又は21)、27の一つであり、遷移金属元素であるFe、Cr、Ni及びMoの中では、窒素原子との親和力が一番高い元素である。このため、Fe、Cr、Ni及びMoを含むCr濃度の高いオーステナイト系ステンレス鋼を窒化することにより、Crは格子振動により表面部10aに濃化する。Crが基材10の表面部10aで濃化することにより、表面部10aの窒素濃度は高くなる。また、本発明の実施の形態では、窒化層11は、後述するようにプラズマ窒化により得られる。このプラズマ窒化のスパッター作用により、基材10の表面部10aに一番多く含有されるFe原子が、一旦表面部10aから飛ばされ、Crの濃化が促進される。このように、Crの濃化と窒化処理による窒素との結合により、基材10の表面部10aでは、最密六方格子の結晶構造を有するCrN及びCr2NのCr窒化物を形成するようになる。 The M 2-3 N-type hexagonal crystal structure 26 is preferably mainly composed of Cr. Cr is one of the transition metal atoms M24 (or 21) and 27 constituting the M 4 N type crystal structure 20 and the M 2-3 N type hexagonal crystal structure 26, and is a transition metal element Fe. Among the elements Cr, Ni and Mo, these elements have the highest affinity for nitrogen atoms. For this reason, by nitriding a high austenitic stainless steel containing Fe, Cr, Ni, and Mo, Cr is concentrated on the surface portion 10a by lattice vibration. When Cr is concentrated on the surface portion 10a of the base material 10, the nitrogen concentration of the surface portion 10a is increased. In the embodiment of the present invention, the nitride layer 11 is obtained by plasma nitriding as will be described later. Due to the sputtering action of plasma nitriding, Fe atoms contained most in the surface portion 10a of the substrate 10 are once ejected from the surface portion 10a, and the concentration of Cr is promoted. As described above, CrN and Cr 2 N Cr nitrides having a close-packed hexagonal lattice crystal structure are formed on the surface portion 10a of the base material 10 by the combination of Cr concentration and nitrogen by nitriding treatment. Become.

一方、Crは酸素との親和力も高い元素であり、Cr窒化物の表面に数十[nm]厚さ以下の導電性を有する不働態皮膜が形成しやすくなる。この不働態皮膜は、硫酸環境下での耐食性を向上させる効果がある。   On the other hand, Cr is an element having a high affinity with oxygen, and it becomes easy to form a passive film having conductivity of several tens [nm] or less on the surface of Cr nitride. This passive film has the effect of improving the corrosion resistance in a sulfuric acid environment.

なお、第1の窒化層11bは、組成がMは66.6〜80.0[at%]、Nは20.0〜33.3[at%]の範囲にあり、第2の窒化層11cは、組成がMは50.0〜75.0[at%]、Nは25.0〜50.0[at%]の範囲にあることが好ましい。この場合には、金属原子と窒素原子の配位数が過不足なく結合する、つまり、安定結合状態となり、かつ高Cr及び高N濃度の窒化物となるため、化学的に安定になり、導電性と耐食性の両性能に優れるようになる。これに対し、金属原子と窒素原子の配位数に過不足が生じるようになると、化学的に不安定になることで、導電性と耐食性の両性能が悪化するようになる。   The first nitride layer 11b has a composition in which M is in the range of 66.6 to 80.0 [at%], N is in the range of 20.0 to 33.3 [at%], and the second nitride layer 11c The composition is preferably such that M is in the range of 50.0-75.0 [at%] and N is in the range of 25.0-50.0 [at%]. In this case, the coordination number of the metal atom and the nitrogen atom is bonded without excess or deficiency, that is, a stable bond state and a nitride with high Cr and high N concentration are obtained. Excellent in both performance and corrosion resistance. On the other hand, when an excess or deficiency occurs in the coordination number between the metal atom and the nitrogen atom, both the conductivity and the corrosion resistance are deteriorated due to chemical instability.

また、第1の窒化層11bにおいて、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物は、組成がMは80[at%]、Nは20.0[at%]であり、六方晶のM2〜3N型の結晶構造を有する窒化物は、組成がMは66.6〜75.0[at%]、Nは25.0〜33.3[at%]の範囲にあることが好ましい。 In the first nitride layer 11b, the nitride having a cubic M 4 N type crystal structure has a composition of M of 80 [at%] and N of 20.0 [at%], which is a hexagonal crystal. The nitride having the M 2-3 N-type crystal structure of M is in the range of 66.6 to 75.0 [at%] for M and 25.0 to 33.3 [at%] for N Is preferred.

第2の窒化層11cは、表面部11aから10[nm]以下の深さにおいて、組成がCrは10〜30[at%]、Nは20〜40[at%]の範囲にあり、Cr及びNが濃化された箇所を有することが好ましい。この場合には、M4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2−3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造をとるため、活量の低い組織となり、化学的に安定で導電性と耐食性の両性能に優れるようになる。これに対し、この範囲からはずれる場合には活量が高い組織となり、化学的に不安定となる。 The second nitride layer 11c has a composition in the range of 10 to 30 [at%] of Cr and N of 20 to 40 [at%] at a depth of 10 [nm] or less from the surface portion 11a. It is preferable to have a portion where N is concentrated. In this case, the activity is low because it has a nano-level stacked crystal structure including a nitride having an M 4 N type crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N type crystal structure. It becomes an organization and becomes chemically stable and excellent in both conductivity and corrosion resistance. On the other hand, when it deviates from this range, it becomes a structure with high activity and becomes chemically unstable.

図4(b)に示すように、第2の窒化層11cが、主として六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造を含み、窒化層11の表面部11aが、表面部11aから不規則に突出した複数の析出物11anを有する構造である場合、この析出物11anの量は、多ければ多い程GDLとの接触面積が増えるために導電性に優れる。このため、析出物11anの量は、面積率で5[%]以上であることが好ましく、10[%]以上であることがより好ましく、さらに20[%]以上であることがより好ましい。このような面積率とすることで、接触抵抗を低く抑えることができる。 As shown in FIG. 4B, the second nitride layer 11c has a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure, and a cubic M 4 N type crystal structure. wherein, the surface portion 11a of the nitride layer 11, if a structure having a plurality of precipitates 11a n that irregularly protrude from the surface portion 11a, the amount of the deposit 11a n may contact with GDL the more Excellent electrical conductivity due to increased area. Therefore, the amount of precipitates 11a n is preferably an area ratio 5 is% or more, more preferably 10% or more, and more preferably still 20% or more. By setting it as such an area ratio, contact resistance can be restrained low.

また、第2の窒化層の表面部から突出した突起状の析出物は、画像解析によって得られた表面から突出した突起状の析出物の等価円直径が小さいものより大きいものほど導電性に優れ、最低でも等価円直径で40[nm]以上が必要である。   Further, the protrusion-like precipitate protruding from the surface portion of the second nitride layer has a higher conductivity as the protrusion-like precipitate protruding from the surface obtained by image analysis has a larger equivalent circular diameter. The minimum equivalent circular diameter is 40 [nm] or more.

また、第2の窒化層11cの表面部11aを画像解析し、この解析により得られた結果から、析出物11anとGDLとの接触による導電性の効果を判断することもできる。この解析は、第2の窒化層11cの表面部11aの電子顕微鏡像を画像分析の手法により画像解析して析出物11anの大きさの分布を定量するものである。この解析より、第2の窒化層11cの表面部11aから突出した析出物11anは等価円直径が大きなものほど導電性に優れ、等価円直径で40[nm]以上であることが好ましい。また、等価円直径で40[nm]以上の析出物が表面部に均一に分散して存在している方が好ましく、面積100[μm]あたりの等価円直径で40[nm]以上が、800[個]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とサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパ(GDL)との接触において、カーボン繊維のすき間に析出物11anが入り、第2の窒化層11cとカーボンペーパ(GDL)との接触面積(点)が増える。このように接触面積が増えることで、接触抵抗が低く抑えられ、導電性に優れるようになる。 The surface portion 11a of the second nitride layer 11c and image analysis, the results obtained by this analysis, the conductive effect due to contact between the deposit 11a n and GDL may also be determined. This analysis is to quantify the size distribution of the surface portion 11a image analysis to precipitate 11a n electron microscope image by the technique of the image analysis of the second nitride layer 11c. From this analysis, precipitates 11a n projecting from the surface portion 11a of the second nitride layer 11c is excellent in conductivity equivalent circular diameter as large, is preferably at 40 [nm] or more equivalent circular diameter. Further, it is preferable that precipitates having an equivalent circular diameter of 40 [nm] or more exist uniformly on the surface portion, and an equivalent circular diameter per area of 100 [μm 2 ] is 40 [nm] or more. It is preferable that it is 800 [pieces] or more. In this case, in contact with the carbon paper made of carbon fibers of the second nitride layer 11c and the sub-micron (GDL), it contains the precipitates 11a n the gap of the carbon fibers, the second nitride layer 11c and the carbon The contact area (point) with the paper (GDL) increases. By increasing the contact area in this way, the contact resistance is kept low and the conductivity is excellent.

この場合はサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物が入り、実際の接触面積(点)が増えることで接触抵抗を低く抑え、導電性に優れるようになる。   In this case, in contact with carbon paper made of submicron carbon fibers, precipitates enter the gaps between the carbon fibers, and the actual contact area (points) increases, so that the contact resistance is kept low and the conductivity is excellent. become.

上記したように、析出物11anは、第2の窒化層11cの表面部11aに多数存在することが好ましく、かつ表面部11aに均一に分布していることが好ましい。GDLとの接触を均一にするためである。このように、多数で、かつ均一に分布している析出物11anを含む窒化層11は、窒化するオーステナイト系ステンレス鋼を含む基材のMo濃度が高いと得られる。具体的には、窒化するCr濃度が25[%]以上のオーステナイト系ステンレス鋼を含む基材のMo濃度が0.5[%]以上3.0[%]以下であることが好ましい。このような基材を窒化した場合には、析出物11anは結晶粒界に偏析することなく、粒界、粒内にも均一に析出する。これは、Moの量を調整することにより、後述するプラズマ窒化において、Fe、Cr原子が結晶格子からスパッター作用により分離して基材表面に再付着して粒成長しやすくなるためである。 As described above, it precipitates 11a n is preferably be present a number on the surface portion 11a of the second nitride layer 11c are preferably, and uniformly distributed on the surface portion 11a. This is to make the contact with the GDL uniform. Thus, a number, and nitride layer 11 including the precipitates 11a n are uniformly distributed is obtained with Mo concentration of substrates, including austenitic stainless steel nitrided high. Specifically, it is preferable that the Mo concentration of the base material including the austenitic stainless steel having the Cr concentration to be nitrided of 25 [%] or more is 0.5 [%] or more and 3.0 [%] or less. Thus when nitriding the substrates include precipitates 11a n without segregated at grain boundaries, grain boundaries, also uniformly deposited in the grains. This is because by adjusting the amount of Mo, in plasma nitriding described later, Fe and Cr atoms are separated from the crystal lattice by a sputtering action and reattached to the surface of the base material, so that grain growth is facilitated.

なお、この析出物11anは、前述したようにFe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まって集合体を形成するものであり、Cr系窒化物が表層に露出した箇所を有することにより、後述する大気開放下での酸による酸化処理で析出物の表面にCr酸化膜が形成されやすくなる。 Incidentally, the precipitate 11a n is for forming an assembly gathered more and the CrN hexagonal nitride and Cr mainly with M 4 N type cubic crystal structure of Fe principal as described above In addition, since the Cr-based nitride has a portion exposed on the surface layer, a Cr oxide film is likely to be formed on the surface of the precipitate by an oxidation treatment with an acid under atmospheric release described later.

次に、窒化層の表面を酸により酸化処理して形成された酸化層について説明する。   Next, an oxide layer formed by oxidizing the surface of the nitride layer with an acid will be described.

ステンレス鋼をプラズマ窒化し、窒化して得られた窒化層を大気開放下でpH2〜4の強酸性水溶液に浸漬して、窒化層の表面を酸により酸化処理する。この表面を電界放射型オージェ電子分光分析装置で元素マッピング分析を行った結果、酸化処理前の窒化層の表面はFe主体の組成であるのに対し、酸化処理後の表面は表面から突出した突起状の析出物の部分のみCr主体の組成に変化していることがわかった。また、窒化層の表面を電界放射型透過電子顕微鏡(FE-TEM)により断面観察すると、後述する図12(a) に示すように、酸化処理前の窒化層の表面の突起状の析出物は表層がFe主体のM4N型の結晶構造で、その内側がCrNの2重構造になっているのに対し、大気開放下での酸化処理後の窒化層の表面の突起状の析出物は表層のFe主体のM4N型の結晶構造が酸化処理により除去されたCrNのみの構造となっていることがわかった。 The nitrided layer obtained by plasma nitriding and nitriding stainless steel is immersed in a strong acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 under the atmosphere, and the surface of the nitrided layer is oxidized with an acid. As a result of performing element mapping analysis on this surface with a field emission Auger electron spectrometer, the surface of the nitride layer before oxidation treatment has a composition mainly composed of Fe, whereas the surface after oxidation treatment has protrusions protruding from the surface. It was found that only the portion of the precipitate was changed to a Cr-based composition. Further, when the surface of the nitride layer is observed by a cross-sectional observation with a field emission transmission electron microscope (FE-TEM), as shown in FIG. While the surface layer is an M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe and the inside thereof is a double structure of CrN, the protruding deposits on the surface of the nitrided layer after the oxidation treatment under the open atmosphere are It was found that the M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe in the surface layer was a structure of only CrN removed by oxidation treatment.

酸化処理後の窒化層11の元素組成をXPS分析(X線光電子分光分析)により行った場合、XPS分析法による表面部11aから2〜3[nm]深さ領域での組成は、Feに対するCrの原子比(モル比)が1.5以上であることが好ましい。Feに対するCr比が大きいほど窒化層中のCr比が多いことを意味している。Feに対するCr比が高くなるほど、表面部11aには10[nm]以下の厚さの膜厚が薄いCr酸化膜が形成されている。このように、Feに対するCrの原子比が1.5以上の場合には、強酸酸性環境下においても導電性を有する不動態皮膜が形成されている。これは、酸化処理において、窒化層の最表面のFeとCrは同時に強酸性水溶液中で溶解し、Fe2+は溶液中に溶出するが、Cr3+は錯体の皮膜を形成して窒化層表面に残留し、Cr酸化膜を形成するようになるためである。 When the elemental composition of the nitrided layer 11 after the oxidation treatment is performed by XPS analysis (X-ray photoelectron spectroscopic analysis), the composition in the depth region of 2 to 3 [nm] from the surface portion 11a by the XPS analysis method is Cr for Fe. The atomic ratio (molar ratio) is preferably 1.5 or more. It means that the larger the Cr ratio to Fe, the greater the Cr ratio in the nitride layer. As the Cr ratio to Fe increases, a Cr oxide film having a thickness of 10 nm or less is formed on the surface portion 11a. Thus, when the atomic ratio of Cr to Fe is 1.5 or more, a passive film having conductivity is formed even in a strong acid acidic environment. In the oxidation treatment, Fe and Cr on the outermost surface of the nitride layer are simultaneously dissolved in a strongly acidic aqueous solution, and Fe 2+ is eluted in the solution, while Cr 3+ forms a complex film to form the surface of the nitride layer. This is because a Cr oxide film is formed.

Feに対するCr比が1.5を下回る場合には、窒化層中のFe比が増した状態であり、表面部11aにはCr酸化膜ではなく、Fe酸化膜が形成されている。このFe酸化膜は、酸化処理においてCr酸化膜が形成される場合と比較して膜厚が厚く成長する。このため、結果としてセパレータとして用いた場合には、抵抗が増大する。   When the Cr ratio to Fe is less than 1.5, the Fe ratio in the nitride layer is increased, and not the Cr oxide film but the Fe oxide film is formed on the surface portion 11a. This Fe oxide film grows thicker than when a Cr oxide film is formed in the oxidation treatment. For this reason, when it uses as a separator as a result, resistance increases.

酸化処理後の窒化層11の元素組成をXPS分析により行った場合、XPS分析法による表面部11aから2〜3[nm]深さ領域での組成は、Oの含有率が30[mol%]以下であることが好ましい。この場合には、窒化層は酸化膜中を電子が移動できる膜厚であるため導電性を有する。また、表面部11aから2〜3[nm]深さにおける窒素(N)5.0[mol%]以上であることが好ましい。この場合には、窒化層11の最表面部11aは窒化物が大半を占めている状態であるため、この窒化層11は抵抗が低く、導電性を有する。   When the elemental composition of the nitrided layer 11 after the oxidation treatment is performed by XPS analysis, the composition in the depth region of 2 to 3 [nm] from the surface portion 11a by the XPS analysis method has an O content of 30 [mol%]. The following is preferable. In this case, the nitride layer is conductive because it has a thickness that allows electrons to move through the oxide film. Moreover, it is preferable that it is more than 5.0 [mol%] nitrogen (N) in the depth of 2-3 [nm] from the surface part 11a. In this case, since the nitride is occupied mostly by the outermost surface portion 11a of the nitride layer 11, the nitride layer 11 has low resistance and conductivity.

なお、突起状析出物は少なくとも六方晶のCrNを含んでおり、このCrNが突起状析出物の表面に一部でも露出することにより、酸化処理でCr酸化膜が形成され易くなる。突起状析出物の構造が、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造のみから形成されるものであったり、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まって集合体を形成するものであってもCrNが表面に露出しない場合には、突起状析出物表面の酸化膜はFe酸化物となる。酸化膜がFe酸化物の場合には、強酸性雰囲気下で容易に破壊され、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造が溶解するようになる。このため、Feイオンの溶出量が多くなり、Feイオン溶出と同時に酸化膜も厚く形成されるようになるため、抵抗が増大する。 Note that the protruding precipitate contains at least hexagonal CrN, and when this CrN is partially exposed on the surface of the protruding precipitate, a Cr oxide film is easily formed by the oxidation treatment. Structure of the protruding precipitates, or even one formed from only the crystal structure of the M 4 N type cubic Fe mainly nitride having a crystal structure of the M 4 N type cubic Fe Principals and Cr If CrN is not exposed on the surface even if a plurality of main hexagonal CrN aggregates to form an aggregate, the oxide film on the surface of the protrusion-like precipitate becomes Fe oxide. When the oxide film is Fe oxide, it is easily broken in a strong acid atmosphere, and the Fe-based cubic M 4 N type crystal structure is dissolved. For this reason, the elution amount of Fe ions increases, and the oxide film is formed thick simultaneously with the elution of Fe ions, so that the resistance increases.

実際の燃料電池セル内でのアノード極に近い脱気環境におけるpH2〜4の強酸性水溶液中では、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まって集合体を形成する第2の層の表面部から突出した析出物において、M4N型の結晶構造を含むFe主体の窒化物は、CrN等のCr系の窒化物よりも耐酸化性に劣るため溶出し易い。そして、溶出する際に窒化物表面に酸化膜を形成し易くなり、導電性が悪化する。これに対し、CrN等のCr主体の窒化物は、Fe主体のM4N型よりも耐酸化性に優れるため、脱気環境のpH2〜4の強酸性水溶液中でも溶出し難くなるため、第2の層の表面部から突出した析出物として残存するが、燃料電池用セパレータとサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、M4N型の結晶構造を含むFe主体の窒化物が溶解した分だけ、浸漬前に比較して実際の接触面積(突起状高さ)が減少する。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導電性が悪化する。 In a strongly acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 in a deaeration environment close to the anode electrode in an actual fuel cell, a nitride having a Fe-based cubic M 4 N type crystal structure and a Cr-based hexagonal crystal In the precipitate protruding from the surface portion of the second layer in which a plurality of CrN aggregates to form an aggregate, the Fe-based nitride containing the M 4 N type crystal structure is more than the Cr-based nitride such as CrN. However, it is inferior in oxidation resistance and is easily eluted. And when it elutes, it becomes easy to form an oxide film on the nitride surface, and conductivity deteriorates. On the other hand, a Cr-based nitride such as CrN is superior in oxidation resistance to the Fe-based M 4 N type, so that it is difficult to elute even in a strongly acidic aqueous solution of pH 2 to 4 in a degassing environment. In the contact between the fuel cell separator and the carbon paper made of sub-micron unit carbon fibers, Fe-based nitride containing an M 4 N-type crystal structure is left as a precipitate protruding from the surface of the layer. The actual contact area (projection height) is reduced by the amount of dissolution compared to before immersion. For this reason, the electrical conductivity between the fuel cell separator and the carbon paper is deteriorated.

第2の層の表面部から突出した析出物がFe主体の立方晶のM4N型の結晶構造のみから成る場合は、形成する酸化膜がFe酸化物となり、脱気環境の強酸性雰囲気下で容易に破壊され、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造が溶解するようになる。このため、Feイオンの溶出量が多くなり、Feイオン溶出と同時に酸化膜も厚く形成されるようになるため、抵抗が増大する。 In the case where the precipitate protruding from the surface portion of the second layer is composed only of a cubic M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe, the oxide film to be formed becomes Fe oxide, and the degassing environment is in a strongly acidic atmosphere. It is easily broken and the cubic M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe is dissolved. For this reason, the elution amount of Fe ions increases, and the oxide film is formed thick simultaneously with the elution of Fe ions, so that the resistance increases.

これに対し、実際の燃料電池セル内でのカソード極に近い大気開放環境におけるpH2〜4の強酸性水溶液中では、M4N型の結晶構造を含むFe主体の窒化物、及びCrN等のCr主体の窒化物共に溶出し難く、突起状析出物は少なくとも六方晶のCrNを含んでおり、このCrNが突起状析出物の表面に一部でも露出することにより、酸化処理でCr酸化膜が形成され易くなるため、燃料電池用セパレータとサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物が入り、実際の接触面積(点)が増える。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抑えるため、導電性に優れる。 On the other hand, in strongly acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 in an open-air environment close to the cathode in an actual fuel cell, a Fe-based nitride containing an M 4 N-type crystal structure and CrN or other Cr Both the main nitrides are difficult to elute and the protruding precipitates contain at least hexagonal CrN. When this CrN is partially exposed on the surface of the protruding precipitates, a Cr oxide film is formed by oxidation treatment. Therefore, in the contact between the fuel cell separator and the carbon paper made of submicron carbon fibers, precipitates enter the gaps between the carbon fibers, and the actual contact area (point) increases. For this reason, since the contact resistance between the separator for fuel cells and the carbon paper is kept low, the conductivity is excellent.

すなわち、基材をプラズマ窒化して形成された窒化層の酸による酸化処理として、大気開放下でpH2〜4の強酸性水溶液に窒化してできた窒化層を浸漬することで、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体である第2の層の表面部から突出した析出物を溶解することなく、その上、第2の層表面に化学的に安定なCr酸化膜を形成するようになる。つまり、遷移金属窒化物の酸による酸化処理後の第2の窒化層の表面部から突出した析出物は、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体で、第2の層の表面部から突出した析出物表層の少なくとも一部にCr主体の窒化物が露出することで、第2の窒化層表面に化学的に安定なCr酸化膜を形成することにより、実際の燃料電池セル内のアノード極およびカソード極両極に近い環境でも窒化層が溶出し難くくなる。また、耐酸化性に優れ、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体である第2の層の表面部から突出した析出物を溶解することないため、燃料電池用セパレータとサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物が入り、実際の接触面積(点)が増える。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抑えるため、導電性に優れる。このようにして、窒化層の表面は大気開放下、及び脱気環境のいずれの強酸雰囲気においても安定となる。 That is, as an oxidation treatment of a nitrided layer formed by plasma nitriding a substrate with an acid, a nitride layer formed by nitriding in a strong acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 under the atmosphere is immersed, so that a cubic structure mainly composed of Fe is obtained. Without dissolving the precipitate protruding from the surface of the second layer, which is an aggregate of a plurality of nitrides having an M 4 N type crystal structure and Cr-based hexagonal CrN, Then, a chemically stable Cr oxide film is formed on the surface of the second layer. In other words, the precipitate protruding from the surface portion of the second nitride layer after the oxidation treatment of the transition metal nitride with the acid is a hexagonal structure composed of a Fe-based cubic M 4 N type crystal structure and a Cr-based hexagon. In the aggregate of a plurality of crystal CrN, the nitride mainly composed of Cr is exposed on at least a part of the precipitate surface layer protruding from the surface portion of the second layer, so that the surface of the second nitride layer is chemically exposed. By forming a highly stable Cr oxide film, it becomes difficult for the nitrided layer to elute even in an environment close to both the anode and cathode electrodes in an actual fuel cell. In addition, the surface portion of the second layer, which is excellent in oxidation resistance, is an aggregate of a plurality of nitrides having a cubic M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe and Cr-based hexagonal CrN. Since the protruding deposits do not dissolve, the deposits enter the gaps between the carbon fibers in the contact between the fuel cell separator and the carbon paper made of submicron carbon fibers, and the actual contact area (points) increases. . For this reason, since the contact resistance between the separator for fuel cells and the carbon paper is kept low, the conductivity is excellent. In this way, the surface of the nitrided layer becomes stable in both strong acid atmospheres in open air and in a deaerated environment.

なお、大気開放下における酸化処理後の第2の窒化層の表面部から突出した析出物の量は、多ければ多い程GDLとの接触面積が増えるために導電性に優れる効果がある。このため、析出物の量は最低でも面積率で測定視野の5[%]以上の析出面積が必要であり、好ましくは10[%]以上、さらに好ましくは20[%]以上の面積率が必要である。   Note that the larger the amount of the precipitate protruding from the surface portion of the second nitride layer after the oxidation treatment in the open atmosphere, the more the contact area with the GDL increases, so that the conductivity is excellent. For this reason, the amount of precipitates is at least an area ratio and requires a precipitation area of 5 [%] or more, preferably 10 [%] or more, more preferably 20 [%] or more. It is.

また、大気開放下における酸化処理後の第2の窒化層の表面部から突出した突起状の析出物は、画像解析によって得られた表面から突出した突起状の析出物の等価円直径が小さいものより大きいものほど導電性に優れ、最低でも等価円直径で40[nm]以上が必要である。そして、この等価円直径で40[nm]以上の表面から突出した析出物は、表面積に均一に分散して存在していることが好ましく、測定視野内の面積100[μm]あたり800[個]以上であることで、GDLとの接触面積が増えるために導電性に優れる。 In addition, the projection-like precipitate protruding from the surface portion of the second nitride layer after the oxidation treatment in the open atmosphere has a small equivalent circular diameter of the projection-like precipitate protruding from the surface obtained by image analysis. Larger ones are more excellent in conductivity, and at least 40 [nm] or more in equivalent circular diameter is required. The precipitates protruding from the surface having an equivalent circular diameter of 40 [nm] or more are preferably present uniformly dispersed in the surface area, and 800 [pieces per 100 [μm 2 ] in the measurement visual field. ] Because of the above, the contact area with the GDL is increased, so that the conductivity is excellent.

以上説明してきたように、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遷移窒化物は、相反する導電性と耐食性を同時に兼ね備えるようになる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータは燃料電池用セパレータとして必要な導電性、セパレータ使用環境下における導電性の機能を維持する化学的安定性及び耐食性を兼ね備え、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用いたことにより、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。   As described above, by adopting the above-described configuration, the transition nitride according to the embodiment of the present invention has the opposite conductivity and corrosion resistance at the same time. In addition, the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention combines the necessary conductivity as a fuel cell separator, the chemical stability and the corrosion resistance to maintain the conductivity function in the separator use environment, and is produced at a low cost. In addition, it is possible to obtain a fuel cell separator that has good properties and low contact resistance with a constituent material such as an adjacent gas diffusion electrode and that has good power generation performance of the fuel cell. In addition, the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention can maintain high power generation efficiency without impairing the power generation performance by using the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention. Cost reduction can be realized.

(遷移金属窒化物の製造方法及び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遷移金属窒化物の製造方法及び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。
(Transition metal nitride manufacturing method and fuel cell separator manufacturing method)
Next, the transition metal nitride manufacturing method and the fuel cell separator manufacturing method according to the embodiment of the present invention will be described.

本発明の実施の形態に係る遷移金属窒化物の製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化して形成される遷移金属窒化物の製造方法であって、基材表面に、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2〜3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の窒化層(第1の層)を形成し、第1の窒化層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の窒化層(第2の層)を形成し、第2の窒化層を形成した後に、第2の窒化層の表面を酸により酸化処理することを特徴とする。この方法によれば、基材の表面全面に、かつ、表面から深さ方向に連続して形成された遷移金属窒化物が得られる。そして、この窒化物は、表面にCr酸化物を有し、導電性と耐食性を兼ね備える。 A method for producing a transition metal nitride according to an embodiment of the present invention is a method for producing a transition metal nitride formed by nitriding a base material containing austenitic stainless steel. A first nitride layer having a nano-level stacked crystal structure (first layer) including a nitride having an M 4 N-type crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N-type crystal structure Of the hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure, and the cubic M 4 N type crystal structure. A second nitride layer (second layer) comprising a nitride having at least one crystal structure, and continuously formed in the depth direction from the surface of the substrate as a surface nitriding portion of the substrate; After forming the second nitride layer, the surface of the second nitride layer is oxidized with an acid. And wherein the door. According to this method, a transition metal nitride formed continuously over the entire surface of the substrate and in the depth direction from the surface can be obtained. And this nitride has Cr oxide on the surface, and has both conductivity and corrosion resistance.

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は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材にプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成するプレス成形し、プレス成形された基材を窒化して、基材表面に立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の窒化層(第1の層)を形成し、第1の窒化層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の窒化層(第2の層)を形成し、第2の窒化層を形成した後に、第2の窒化層の表面を酸により酸化処理することを特徴とする。本発明によれば、表面にCr酸化膜を有し、導電性と耐食性を兼ね備える遷移金属窒化物の窒化層をステンレス鋼表面に形成することが可能となる。プレス成形の後に窒化処理を行った場合には、窒化層にクラックなどの欠陥が生じない。このため、導電性と耐食性に富んだ燃料電池用セパレータが得られる。 A method for manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method of press-forming a base material containing austenitic stainless steel to form a fuel or oxidant passage, and forming the press-formed base material. Nitrided to have a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a cubic M 4 N type crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N type crystal structure on the surface of the substrate Forming a first nitride layer (first layer), continuously formed on the first nitride layer, a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure, and cubic A second nitride layer including a nitride having at least one crystal structure of M 4 N type crystal structure and continuously formed in the depth direction from the surface of the substrate as a surface nitriding portion of the substrate; After forming the second nitride layer, the second nitride layer is formed, and then the second nitride layer is formed. Wherein the oxidation treatment with an acid the surface of the nitride layer. According to the present invention, a transition metal nitride nitride layer having a Cr oxide film on the surface and having both conductivity and corrosion resistance can be formed on the stainless steel surface. When nitriding is performed after press molding, defects such as cracks do not occur in the nitride layer. For this reason, the separator for fuel cells rich in electroconductivity and corrosion resistance is obtained.

なお、窒化するCr濃度が25[%]以上のオーステナイト系ステンレス鋼を含む基材のMo濃度が0.5[%]以上3.0[%]以下であることが好ましい。このような基材を窒化した場合には、図4(b)に示すように、第2の窒化層11cが、主として六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造を含み、窒化層11の表面部11aには、表面部11aから突出した析出物11aが不規則に突出した構造となる窒化層が得られる。 In addition, it is preferable that Mo density | concentration of the base material containing the austenitic stainless steel whose Cr density | concentration to nitride is 25 [%] or more is 0.5 [%] or more and 3.0 [%] or less. When such a base material is nitrided, as shown in FIG. 4 (b), the second nitride layer 11c is mainly composed of hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structures, In addition, a nitride layer including a cubic M 4 N type crystal structure and having a structure in which the precipitates 11 a i protruding from the surface portion 11 a protrude irregularly is obtained on the surface portion 11 a of the nitride layer 11.

次に、図6を参照して、遷移金属窒化物及び燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。図6は、本発明の実施の形態に係る遷移金属窒化物及び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。   Next, with reference to FIG. 6, the manufacturing method of the transition metal nitride and the separator for fuel cells is demonstrated. FIG. 6 is a schematic side view of the nitriding apparatus 30 used in the method for manufacturing the transition metal nitride and the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention.

プラズマ窒化は、被処理物(ここではステンレス鋼)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。   Plasma nitriding uses a workpiece (here, stainless steel) as a cathode and applies a DC voltage to generate glow discharge, that is, low-temperature non-equilibrium plasma, ionizes a part of gas components, and in the non-equilibrium plasma. In this method, the ionized gas component is nitrided by colliding with the surface of the workpiece at high speed.

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。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、プラズマ観察窓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。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。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31jの導電線31kが巻回され、これにより加熱される。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。   The nitriding device 30 is a batch type nitriding furnace 31, a vacuum pump 34 for evacuating a vacuum nitriding vessel 31a installed in the nitriding furnace 31, and supplying an atmospheric gas to the vacuum nitriding vessel 31a. Gas supply device 32, and plasma electrodes 33a and 33b charged to a high voltage to generate plasma in the vacuum nitriding vessel 31a, and these electrodes 33a and 33b are pulsed to a high frequency of 45 [kHz]. A pulse plasma power source 33 for supplying a direct current voltage and a temperature detector 37 for detecting the temperature in the vacuum nitriding vessel 31a. The nitriding furnace 31 includes an outer container 31b made of a heat insulating insulating material that accommodates the vacuum nitriding container 31a, and includes a plasma observation window 31g. The vacuum nitriding vessel 31a includes an insulator 35 at the bottom 31c for holding the plasma electrodes 33a and 33b at a high potential. The plasma electrodes 33a and 33b are provided with a stainless steel support 36 thereon. The support 36 is formed with a flow path of fuel or oxidant by press molding, and supports a stainless steel 44 (hereinafter also referred to as a base material) processed into a separator shape. The gas supply device 32 includes a gas chamber 38 and a gas supply pipe 39, and the gas chamber 38 has a predetermined number of gas introduction openings (not shown), each of which has a gas supply valve (not shown). ) Communicated with a hydrogen gas supply line (not shown), a nitrogen gas supply line (not shown), and an argon gas supply line (not shown). The gas supply device 32 further has a gas supply opening 32a communicating with one end 39a of the gas supply line 39, and a gas supply valve (not shown) is provided in the opening 32a. The gas supply line 39 extends through the bottom 31d of the outer vessel 31b of the nitriding furnace 31 and the bottom 31c of the vacuum nitriding vessel 31a into the vacuum nitriding vessel 31a and rises vertically. It reaches part 39b. The rising portion 39b is provided with a plurality of openings 39c for ejecting gas into the vacuum nitriding vessel 31a. The gas pressure in the vacuum nitriding vessel 31a is detected by a gas pressure sensor (not shown) provided at the bottom 31c of the vacuum nitriding vessel 31a. The conductive wire 31k of the resistance heating type or induction heating type heater 31j is wound around the outer periphery of the vacuum nitriding vessel 31a, and is heated by this. An air flow path 40 is defined between the vacuum nitriding vessel 31a and the outer vessel 31b. The side wall 31e of the outer container 31b is provided with a blower 41 that sends air flowing into the air flow path 40 from an opening 31f provided in the side wall 31e of the outer container 31b. The air flow path 40 includes an opening 40a through which air flows out. The vacuum pump 34 evacuates through an exhaust line 45 communicating with the opening 31h provided in the bottom 31c of the vacuum nitriding vessel 31a. The temperature detector 37 passes through the bottoms 31c and 31d of the vacuum nitriding vessel 31a and the outer vessel 31b and the plasma electrodes 33a and 33b and is connected to a temperature sensor 37b (for example, a thermocouple) through a signal line 37a. .

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、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 pulsed plasma power source 33 receives a control signal from the process control device 42 and is turned on / off. Each stainless steel 44 has a potential difference corresponding to the voltage supplied from the pulse plasma power supply 33 with respect to the ground side (for example, the inner wall 31i of the vacuum nitriding vessel 31a). The gas supply device 32, the vacuum pump 34, the temperature detector 37 and the gas pressure sensor are also controlled by the process control device 42, and the process control device 42 is operated by the personal computer 43.

本発明の実施の形態で用いたプラズマ窒化についてより詳細に説明する。まず、窒化炉31内に被処理物であるステンレス鋼44を配置し、1[Torr](=133[Pa])以下の真空に炉内を排気する。次に、窒化炉31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44を加熱及び窒化する。   The plasma nitriding used in the embodiment of the present invention will be described in more detail. First, stainless steel 44, which is an object to be processed, is placed in the nitriding furnace 31, and the inside of the furnace is evacuated to a vacuum of 1 [Torr] (= 133 [Pa]) or less. Next, after introducing a mixed gas of hydrogen gas and argon gas into the nitriding furnace 31, the stainless steel 44 has a vacuum degree of several [Torr] to several tens [Torr] (665 [Pa] to 2128 [Pa]). Is applied as a cathode, and the inner wall 31i of the vacuum nitriding vessel 31a as an anode. In this case, glow discharge is generated on the stainless steel 44 as the cathode, and the stainless steel 44 is heated and nitrided by the glow discharge.

本発明の実施の形態に係る製造方法として、第一の工程として、ステンレス鋼からなる基材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、導入ガスがイオン化した水素イオン、アルゴンイオンなどが試料表面に衝突することで、ステンレス鋼44表面のCrを主体とした酸化皮膜を除去することができる。   As a manufacturing method according to an embodiment of the present invention, as a first step, sputter cleaning is performed to remove the nonconductive film on the surface of the base material 44 made of stainless steel. During this sputtering cleaning, hydrogen ions, argon ions, etc., ionized by the introduced gas collide with the sample surface, so that the oxide film mainly composed of Cr on the surface of the stainless steel 44 can be removed.

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。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MN型結晶構造を有する連続した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表面の酸素が反応する還元反応により、基材表面に形成された酸化膜が除去される。 As a second step, after sputtering cleaning, a mixed gas of hydrogen gas and nitrogen gas is introduced into the nitriding furnace 31, and a voltage is applied to generate glow discharge on the substrate 44 which is a cathode. At this time, the ionized nitrogen collides, penetrates and diffuses on the surface of the base material 44, whereby a continuous nitride layer having an M 4 N type crystal structure is formed on the surface of the base material 44. Simultaneously with the formation of the nitride layer, the oxide film formed on the substrate surface is removed by a reduction reaction in which ionized hydrogen reacts with oxygen on the substrate surface.

第1の工程及び第2の工程では、水素、アルゴン、窒素等の非常に高温なイオンが基材表面に衝突及び侵入し、基材表面の局部的な微小領域が強く加熱される。そして、基材中に含まれるFe、Cr、Mo等の合金元素の金属原子がスパッター作用により分離し、蒸発する。ステンレス表面から分離蒸発したFe、Cr、Mo等の合金元素の金属原子は、基材表面近くのプラズマ中に存在する高度に活性化した窒素と結合し、その後基材表面に窒化物として析出する。   In the first step and the second step, extremely high-temperature ions such as hydrogen, argon, and nitrogen collide and invade the surface of the base material, and local micro regions on the base material surface are strongly heated. Then, metal atoms of alloy elements such as Fe, Cr, and Mo contained in the base material are separated by the sputtering action and evaporated. Metal atoms of alloy elements such as Fe, Cr, and Mo separated and evaporated from the stainless steel surface are combined with highly activated nitrogen present in the plasma near the substrate surface, and then precipitate as nitride on the substrate surface. .

この第1の工程及び第2の工程での処理温度が比較的低温、すなわち400[℃]以下の場合では、水素、アルゴン、窒素等のイオンが基材表面に衝突する際の衝突エネルギーが低いために、基材中に含まれるFe、Cr、Mo等の合金元素の金属原子のスパッター作用による分離、蒸発は少ない。このため、窒化により形成された窒化層の表面は、平滑であり表面から突出した突起状の窒化物として析出する析出物の量が少量であるか、またはほとんど析出しない。これに対し、処理温度が400[℃]以上になると、水素、アルゴン、窒素等のイオンの基材表面への衝突エネルギーが高くなるため、基材中に含まれるFe、Cr、Mo等の合金元素の金属原子のスパッター作用による分離、蒸発が多くなる。このために、基材表面に析出する突起状窒化物の窒化物の量が多くなる。なお、Fe、Cr、Moの金属原子の蒸発し易さを融点で比較すると、Feは1539[℃]、 Crは1900[℃]であるのに対し、Moは2622[℃]と高く、蒸発し難いことが判っている。   When the treatment temperature in the first step and the second step is relatively low, that is, 400 [° C.] or less, the collision energy when ions such as hydrogen, argon, nitrogen collide with the substrate surface is low. Therefore, there is little separation and evaporation by the sputtering action of metal atoms of alloy elements such as Fe, Cr, and Mo contained in the base material. For this reason, the surface of the nitrided layer formed by nitriding is smooth, and the amount of precipitates deposited as protruding nitrides protruding from the surface is small or hardly precipitated. On the other hand, when the treatment temperature is 400 [° C.] or higher, the collision energy of ions such as hydrogen, argon, nitrogen and the like on the substrate surface increases, so an alloy such as Fe, Cr, Mo contained in the substrate Separation and evaporation due to the sputtering effect of elemental metal atoms increase. For this reason, the amount of the nitride of the projecting nitride deposited on the substrate surface increases. When the easiness of evaporation of metal atoms of Fe, Cr, and Mo is compared with the melting point, Fe is 1539 [° C.] and Cr is 1900 [° C.], whereas Mo is as high as 2622 [° C.] and evaporates. It turns out to be difficult.

窒化するCr濃度が25[%]以上のオーステナイト系ステンレス鋼を含む基材のMo濃度が0.5[%]以上3.0[%]以下であることが好ましい。Moの含有量を増やすことにより、第2の窒化層が、主として六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造を含み、窒化層の表面部には、表面部ら突出した析出物が不規則に突出した構造となる窒化層が得られる。 It is preferable that the Mo concentration of the base material containing the austenitic stainless steel having a Cr concentration of 25 [%] or more to be nitrided is 0.5 [%] or more and 3.0 [%] or less. By increasing the Mo content, the second nitride layer comprises mainly hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structures, and cubic M 4 N type crystal structures, A nitride layer having a structure in which precipitates protruding from the surface portion irregularly protrude is obtained on the surface portion of the nitride layer.

Moの含有量をある程度増やすと、Mo自身は蒸発し難く、置換型で格子歪を大きくするため、fcc結晶格子を形成する。また、Moの添加には、Fe、Crを格子から分離しやすくする効果があるために、粒状の窒化物数が増える。さらに、Moの添加にはCr等の粒界偏析を減らす効果があるために、結晶粒界及び粒内に均一に所望の突起状の析出物が分散するようになる。なお、Mo添加の効果は、0.5[%]以上からより出現しやすく、また、3.0[%]を超えると結晶粒界にσ相が析出するようになるために耐食性が劣化するおそれがある。   If the Mo content is increased to some extent, the Mo itself is difficult to evaporate, and the lattice strain is increased in a substitution type, so that an fcc crystal lattice is formed. In addition, the addition of Mo has an effect of easily separating Fe and Cr from the lattice, so that the number of granular nitrides increases. Furthermore, since the addition of Mo has the effect of reducing grain boundary segregation such as Cr, desired projection-like precipitates are uniformly dispersed within the crystal grain boundaries and grains. The effect of addition of Mo is more likely to appear from 0.5 [%] or more, and when it exceeds 3.0 [%], the σ phase is precipitated at the grain boundaries, so the corrosion resistance is deteriorated. There is a fear.

なお、このプラズマ窒化では、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り、その上、400[℃]以上500[℃]以下の温度で処理した場合に、基材44表面から深さ方向に高窒素濃度のMN型結晶構造を含む遷移金属窒化物が迅速に得られ、この窒化物は導電性と耐食性に富む。 In this plasma nitriding, the reaction on the surface of the base material 44 is not an equilibrium reaction but a non-equilibrium reaction. In addition, the surface of the base material 44 is treated at a temperature of 400 [° C.] to 500 [° C.]. Thus, a transition metal nitride containing an M 4 N-type crystal structure having a high nitrogen concentration in the depth direction can be rapidly obtained, and this nitride is rich in conductivity and corrosion resistance.

これに対し、大気圧でかつ平衡反応により窒化が進行する窒化法、例えば、ガス窒化法などを用いた場合、基材表面の不導態皮膜を除去するのが難しく、かつ平衡反応のため、基材表面に、MN型結晶構造を得るようにするには長時間を要し、かつ、所望の窒素濃度が得られ難くなる。このため、基材表面に酸化皮膜が存在するため導電性が悪化し、化学的安定性に欠けるため、この窒化法により得られた窒化物及び窒化層では強酸性雰囲気での導電性維持が困難となる。 On the other hand, when using a nitriding method in which nitriding proceeds at atmospheric pressure and by an equilibrium reaction, such as a gas nitriding method, it is difficult to remove the non-conductive film on the surface of the substrate, and because of the equilibrium reaction, It takes a long time to obtain the M 4 N-type crystal structure on the surface of the base material, and it becomes difficult to obtain a desired nitrogen concentration. For this reason, the conductivity deteriorates due to the presence of an oxide film on the surface of the substrate, and the chemical stability is lacking. Therefore, it is difficult to maintain the conductivity in a strongly acidic atmosphere with the nitride and nitride layer obtained by this nitriding method. It becomes.

本発明の実施の形態では、電源としてパルスプラズマ電源を用いることが好ましい。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、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。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 the embodiment of the present invention, it is preferable to use a pulsed plasma power source as the 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 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. In this case, when the substrate temperature is measured by a radiation thermometer by performing plasma nitridation using a pulsed plasma power source that repeatedly discharges and shuts off the plasma discharge time and plasma cut-off time from 1 to 1000 [μsec]. 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 pulsed plasma power source with a small change in the substrate temperature is used. It is preferable that the discharge and interruption of the plasma can be repeated with a period of μsec].

さらに、窒化処理を基材の温度が400[℃]以上500[℃]以下で行うことが好ましい。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Cr窒化物が数[nm]レベルを超えるサブ[μm]厚さの層または塊として析出するために、窒化層の一部にCr欠乏層が生じることで燃料電池用セパレータの耐食性が低下する。これに対し、400[℃]以上500[℃]以下の温度で窒化処理を施すと、基材によって形成された基層の上に連続して形成され、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の窒化層と、第1の窒化層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、基材の表面窒化処理部として基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の窒化層とを備える遷移金属窒化物が得られる。 Further, the nitriding treatment is preferably performed at a base material temperature of 400 [° C.] or more and 500 [° C.] or less. 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 Cr nitride mainly precipitates as a sub- [μm] thick layer or lump exceeding several [nm] level. The corrosion resistance of the fuel cell separator is reduced due to the Cr-deficient layer formed in a part of the nitride layer. In contrast, when nitriding is performed at a temperature of 400 [° C.] to 500 [° C.], a cubic M 4 N type crystal structure is formed continuously on the base layer formed by the base material. A first nitride layer having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a hexagonal M 2-3 N-type crystal structure and a first nitride layer continuously formed on the first nitride layer A nitride having at least one of a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure, and a cubic M 4 N type crystal structure, As the surface nitriding portion, a transition metal nitride provided with a second nitride layer continuously formed in the depth direction from the surface of the substrate is obtained.

なお、窒化温度が400[℃]を下回る場合には、第1の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、窒化は400[℃]以上500[℃]以下の範囲で行うことが好ましい。   Note that when the nitriding temperature is lower than 400 [° C.], a long time treatment is required to obtain the first nitride layer, and thus the productivity is deteriorated. Therefore, nitriding is preferably performed in the range of 400 [° C.] to 500 [° C.].

また、CrとNが濃化した窒化物を得るためには、基材として用いるステンレス鋼のCr濃度が高いことが好ましく、特にCr濃度が25[%]以上であることが好ましい。Crは窒素との親和性が高いため、Cr濃度が高いステンレス鋼を用いることで、プラズマ窒化の際に基材の溝部等のプラズマの周り難い箇所でも他の部分と同様に窒化物が形成される。   Further, in order to obtain a nitride enriched with Cr and N, the stainless steel used as the base material preferably has a high Cr concentration, and in particular, the Cr concentration is preferably 25 [%] or more. Since Cr has a high affinity with nitrogen, the use of stainless steel with a high Cr concentration results in the formation of nitrides at other locations where plasma is difficult, such as groove portions of the substrate, during plasma nitriding. The

次に、プラズマ窒化後の酸による酸化処理について説明する。   Next, an oxidation process using an acid after plasma nitriding will be described.

ステンレス鋼を含む基材をプラズマ窒化し、窒化して得られた窒化層を大気開放環境のpH2〜4の強酸性水溶液に浸漬して、窒化層の表面(第2の窒化層の表面)を酸により酸化処理する。酸素分圧の高い大気開放環境で浸漬すると、M4N型等のFe主体の遷移金属窒化物及びCrN等のCr主体の遷移金属窒化物は、強酸性水溶液であってもほとんど溶出しない。大気開放環境においても、pH2よりpH値が小さい強酸性水溶液(特に、pH1程度。)に浸漬すると、M4N型等のFe主体の遷移金属窒化物がCrN等のCr主体の遷移金属窒化物より優先して溶出して粒状の窒化物の一部を溶かし、粒状の窒化物の表面積が減少する。このため窒化層とGDLとの接触面積が減少し、導電性が悪化するようになる。一方、大気開放環境でもpH4よりpH値が大きい溶液に浸漬すると、粒状の窒化表面に緻密ではない自然酸化膜を形成するため、発電セル内環境にさらされたに自然酸化膜は破れ、それと同時に厚い酸化膜を形成するようになる。このため、導電性は悪化する。 The surface of the nitrided layer (the surface of the second nitrided layer) is immersed in a strong acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 in an open air environment by plasma nitriding a base material containing stainless steel and nitriding. Oxidation with acid. When immersed in an open atmosphere with a high oxygen partial pressure, Fe-based transition metal nitrides such as M 4 N type and Cr-based transition metal nitrides such as CrN hardly dissolve even in strongly acidic aqueous solutions. Even in an open atmosphere, when immersed in a strongly acidic aqueous solution having a pH value lower than pH 2 (particularly about pH 1), the transition metal nitride mainly composed of Fe such as M 4 N type transition metal nitride composed mainly of Cr such as CrN. It elutes more preferentially and dissolves part of the granular nitride, reducing the surface area of the granular nitride. For this reason, the contact area between the nitride layer and the GDL is reduced, and the conductivity is deteriorated. On the other hand, when immersed in a solution having a pH value higher than pH 4 even in an open atmosphere, a natural oxide film that is not dense is formed on the granular nitriding surface. A thick oxide film is formed. For this reason, electroconductivity deteriorates.

このように、大気開放環境でpH2〜4の強酸性水溶液で窒化層表面を酸化処理することにより、窒化後の窒化層表面が化学的に安定化する。そして、窒化後の初期の状態を維持することが可能となるため、耐食性に優れたものとなる。また、窒化層、特に突起状窒化物の表面積が減る事なく、GDLとの接触面積が確保されることで、さらに導電性と耐食性に富んだ燃料電池用セパレータが得られる。   Thus, by oxidizing the surface of the nitride layer with a strong acidic aqueous solution having a pH of 2 to 4 in an open atmosphere, the nitride layer surface after nitriding is chemically stabilized. And since it becomes possible to maintain the initial state after nitriding, it will be excellent in corrosion resistance. Further, the contact area with the GDL is ensured without reducing the surface area of the nitride layer, in particular, the protruding nitride, and thus a fuel cell separator having further excellent conductivity and corrosion resistance can be obtained.

このように、本発明の実施の形態に係る遷移金属窒化物及び燃料電池用セパレータの製造方法によれば、耐食性及び導電性に優れた遷移金属窒化物を含む窒化層が形成された燃料電池用セパレータが得られる。また、簡便な操作により低コストの燃料電池用セパレータ製造することが可能となる。   As described above, according to the method for manufacturing the transition metal nitride and the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention, the nitride layer including the transition metal nitride excellent in corrosion resistance and conductivity is formed. A separator is obtained. In addition, it is possible to manufacture a low-cost fuel cell separator by a simple operation.

(燃料電池車両)
本実施形態では、燃料電池車両の一例として、上記方法により作製した燃料電池スタックを含む燃料電池を動力源として用いた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
(Fuel cell vehicle)
In this embodiment, a fuel cell electric vehicle using a fuel cell including a fuel cell stack manufactured by the above method as a power source will be described as an example of a fuel cell vehicle.

図7は、燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図である。図7(a)は電気自動車の側面図、図7(b)は電気自動車の上面図である。図7(b)に示すように、車体51前方に、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。本発明の実施の形態に係る電気自動車では、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. 7 is a diagram showing the external appearance of an electric vehicle equipped with a fuel cell stack. FIG. 7A is a side view of the electric vehicle, and FIG. 7B is a top view of the electric vehicle. As shown in FIG. 7B, in addition to the left and right front side members and the hood ridge, a dash lower member that connects the left and right hood ridges including the front side member to each other is combined and welded to the front of the vehicle body 51. An engine compartment portion 52 is formed. In the electric vehicle according to the embodiment of the present invention, the fuel cell stack 1 is mounted in the engine compartment portion 52.

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性能の良い燃料電池スタックを自動車等の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、本実施形態によれば、小型化した軽量の燃料電池スタック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、本実施形態によれば、小型の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確保することができる。   By mounting a fuel cell stack having a good power generation performance to which the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention is mounted on a vehicle such as an automobile, the fuel efficiency of the fuel cell electric vehicle can be improved. In addition, according to the present embodiment, by mounting a small and lightweight fuel cell stack on a vehicle, the vehicle weight can be reduced and fuel consumption can be reduced, and the travel distance can be increased. it can. Furthermore, according to this embodiment, by mounting a small fuel cell on a mobile vehicle or the like, the vehicle interior space can be used more widely, and the degree of freedom of styling can be ensured.

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、電気エネルギー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 be applied also to the aircraft and other engines in which electric energy is requested | required. .

以下、実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例7について説明する。各実施例は、本発明に係る燃料電池用セパレータの有効性を調べたもので、原材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 6 and Comparative Examples 1 to 7 will be described. Each example is an examination of the effectiveness of the separator for a fuel cell according to the present invention. Each sample was prepared by treating the raw material under different conditions, and is limited to the illustrated example. It is not a thing.

<試料の調製>
各実施例及び比較例では、基材として、表1に示した組成で調整した厚さ0.1[mm]、□100×100[mm]の真空焼鈍材を用いた。この基材をプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成しセパレータを得た。プレス成形により得られたセパレータを酸洗した後、両面にマイクロパルス直流電流グロー放電によるプラズマ窒化を施した。プラズマ窒化の条件は、窒化温度は300〜550[℃]、窒化時間60[分]、窒化時のガス混合比N:H=7:3、処理圧力3[Torr](=399[Pa])とした。なお、比較例1の試料はプラズマ窒化を行わなかった。比較例2は、プラズマ窒化の代わりにガス窒化を行った。比較例3では、Cr濃度が18[%] のオーステナイト系ステンレス鋼を用いた。比較例4では、300[℃]で窒化した。比較例5では、550[℃]で窒化した。比較例6では、酸による酸化処理の代わりに、pH4の脱気環境下での酸による溶解処理を行った。比較例7では、酸による酸化処理も酸による酸溶解処理もいずれも実施せず、プラズマ窒化後そのままを用いた。
<Preparation of sample>
In each Example and Comparative Example, a vacuum annealed material having a thickness of 0.1 [mm] and □ 100 × 100 [mm] adjusted with the composition shown in Table 1 was used as a base material. This base material was press-molded to form a fuel or oxidant passage to obtain a separator. The separator obtained by press molding was pickled and then subjected to plasma nitriding by micropulse direct current glow discharge on both sides. The conditions of plasma nitriding are as follows: nitriding temperature is 300 to 550 [° C.], nitriding time is 60 [min], gas mixing ratio during nitriding N 2 : H 2 = 7: 3, processing pressure 3 [Torr] (= 399 [Pa] ]). The sample of Comparative Example 1 was not plasma-nitrided. In Comparative Example 2, gas nitriding was performed instead of plasma nitriding. In Comparative Example 3, an austenitic stainless steel having a Cr concentration of 18% was used. In Comparative Example 4, nitriding was performed at 300 [° C.]. In Comparative Example 5, nitriding was performed at 550 [° C.]. In Comparative Example 6, a dissolution treatment with an acid in a degassed environment of pH 4 was performed instead of the oxidation treatment with an acid. In Comparative Example 7, neither an oxidation treatment with an acid nor an acid dissolution treatment with an acid was performed, and the plasma nitridation was used as it was.

表1に、基材として用いたステンレス鋼のCr、Ni及びMo量、プラズマ窒化の有無、使用したプラズマ電源、窒化時の制御温度を示す。
Table 1 shows the amounts of Cr, Ni, and Mo of the stainless steel used as the base material, the presence or absence of plasma nitriding, the plasma power source used, and the control temperature during nitriding.

得られた各試料を以下の方法を用いて評価した。   Each obtained sample was evaluated using the following method.

<基層の結晶構造の同定>
基層の結晶構造の同定は、窒化によって改質した基材表面をX線回折測定を行うことにより同定した。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 base layer>
The crystal structure of the base layer was identified by performing X-ray diffraction measurement on the substrate surface modified by nitriding. 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].

<窒化層の観察・最表面の窒化物の結晶構造同定、形態観察、窒化層厚さ、突起状窒化物の最大高さ計測>
上記方法によって得られた試料の窒化層について観察した。観察方法は、試料を収束イオンビーム装置(FIB)日立製作所製FB2000Aを用いてFIB―μサンプリング法を用いてTEM観察用表面付近の薄膜試料を作製して、電界放射型透過電子顕微鏡(日立製作所製HF−2000)を用いて200[kV]にて行った。
<Observation of nitride layer / Crystal structure identification of top surface nitride, morphology observation, nitride layer thickness, maximum height measurement of protruding nitride>
The nitride layer of the sample obtained by the above method was observed. In the observation method, a thin film sample near the surface for TEM observation was prepared using a FIB-μ sampling method using a focused ion beam apparatus (FIB) FB2000A manufactured by Hitachi, and a field emission transmission electron microscope (Hitachi, Ltd.). HF-2000) manufactured at 200 [kV].

<窒化層表面から突出した突起状窒化物元素マッピング>
試料表面を電界放射型オージェ電子分光分析装置(FE−AES(PHI製SAM−700))を用いて電子線電流値10[nA]、Arイオンスパッタ1[kV]でスパッタし、スパッタ時間1[分]後の試料の表面を観察した。
<窒化層の窒素量及び酸素量の測定>
窒化層の窒素量及び酸素量、つまり、窒化層の表面から深さ200[nm]までの範囲において、オージェ電子分光分析のデプスプロファイル計測により、窒化層の最表層における窒素量及び酸素量の測定を行った。最表面、つまり0[nm]深さ、2[nm] 深さ、5[nm] 深さ、10[nm] 深さ、50[nm] 深さ、100[nm] 深さにおけるFe、Ni、Cr、N及びOの量を表2に示す。測定には、走査型オージェ電子分光分析装置(PHI社製 MODEL4300)を用い、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](SiO換算値)の条件で行った。
<Projected nitride element mapping protruding from the nitride layer surface>
The surface of the sample was sputtered with an electron beam current value of 10 [nA] and Ar ion sputtering of 1 [kV] using a field emission Auger electron spectroscopy analyzer (FE-AES (PHI SAM-700)), and a sputtering time of 1 [ The surface of the sample after [minute] was observed.
<Measurement of amount of nitrogen and oxygen in nitride layer>
Nitrogen and oxygen content of the nitride layer, that is, measurement of nitrogen content and oxygen content in the outermost layer of the nitride layer by depth profile measurement of Auger electron spectroscopy in the range from the surface of the nitride layer to a depth of 200 [nm] Went. Fe, Ni at the outermost surface, that is, 0 [nm] depth, 2 [nm] depth, 5 [nm] depth, 10 [nm] depth, 50 [nm] depth, 100 [nm] depth, The amounts of Cr, N and O are shown in Table 2. For the measurement, a scanning Auger electron spectrometer (MODEL4300 manufactured by PHI) was used. Electron beam acceleration voltage 5 [kV], measurement area 20 [μm] × 16 [μm], ion gun acceleration voltage 3 [kV], was carried out under the conditions of sputtering rate 10 [nm / min] (SiO 2 converted value).

<接触抵抗の測定>
上記実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例7で得られた試料を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。そして、図8(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8(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/cm]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とした。なお、接触抵抗値は、後述する耐食試験の前後で2回測定を行い、耐食試験後の接触抵抗は、燃料電池スタック内で燃料電池用セパレータが曝される環境を模擬して、耐食性を評価したものである。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/cm]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[Ω・cm])を用いた。電極は、直径φ20のCu製電極を用いた。
<Measurement of contact resistance>
The samples obtained in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 7 were cut into a size of 30 [mm] × 30 [mm] and contact resistance was measured. The apparatus used was TRS-2000SS, a pressure load contact electrical resistance measuring device manufactured by ULVAC-RIKO. 8A, a carbon paper 63 is interposed between the electrode 61 and the sample 62, and as shown in FIG. 8B, the electrode 61a / carbon paper 63a / sample 62 / carbon. The configuration is paper 63b / electrode 61b. Then, the electrical resistance when a current of 1 [A / cm 2 ] was passed at a measurement surface pressure of 1.0 [MPa] was measured twice, and the average value of each electrical resistance was obtained to obtain the contact resistance. The contact resistance value is measured twice before and after a corrosion resistance test, which will be described later, and the contact resistance after the corrosion resistance test evaluates the corrosion resistance by simulating the environment where the fuel cell separator is exposed in the fuel cell stack. It is a thing. The carbon paper is a carbon paper coated with a platinum catalyst supported by carbon black (carbon paper TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3 ], Porosity 73 [%] and thickness direction volume resistivity 0.07 [Ω · cm 2 ]) were used. As the electrode, a Cu electrode having a diameter of φ20 was used.

<酸による酸化処理>
大気開放下において、pH4、80[℃]の硫酸水溶液中にサンプルを100[時間]浸漬した後、表面を洗浄後乾燥した。
<Oxidation treatment with acid>
The sample was immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 4 and 80 [° C.] for 100 [hours], then the surface was washed and dried.

<画像解析>
試料表面の電子顕微鏡観察を行った。観察には、電界放射型走査電子顕微鏡(日立製作所 S−4000型)を用いた。試料を5[mm]角程度の大きさに切断し、表面をエタノールで洗浄した後に観察した。観察の倍率は1万倍とした。走査電子顕微鏡像は、2080画素×1650画素のデジタルデータとして得た。この視野は実際の寸法で12[μm]×7.5[μm]の範囲に相当する。
<Image analysis>
The sample surface was observed with an electron microscope. For the observation, a field emission scanning electron microscope (Hitachi, Ltd. S-4000 type) was used. The sample was cut to a size of about 5 [mm] square, and the surface was washed with ethanol and observed. The magnification of observation was 10,000 times. A scanning electron microscope image was obtained as digital data of 2080 pixels × 1650 pixels. This visual field corresponds to a range of 12 [μm] × 7.5 [μm] in actual dimensions.

この電子顕微鏡像に対して画像分析の手法により、突起状析出物の大きさの分布の定量を試みた。解析には画像解析ソフトウェア「A像くん」(旭化成エンジニアリング株式会社)を用いた。   An attempt was made to quantify the distribution of the size of the protrusion-like precipitates by using an image analysis technique on the electron microscope image. For the analysis, image analysis software “A image-kun” (Asahi Kasei Engineering Co., Ltd.) was used.

まず、画像のサイズをいったん半分の1040画素×825画素に縮小した。さらにこの縮小した画像から1039画素×764画素の範囲を適宜切り取った。これは元の電子顕微鏡像に含まれるスケールや注記などの文字を定量範囲から外すための操作である。   First, the image size was once reduced to a half of 1040 pixels × 825 pixels. Further, a range of 1039 pixels × 764 pixels was appropriately cut out from the reduced image. This is an operation for removing characters such as scales and notes included in the original electron microscope image from the quantitative range.

1039画素×764画素の画像に対して「A像くん」の「粒子解析」の操作により、抽出される領域の「円相当径」と「面積」を出力した。解析におけるパラメータ設定は以下の通りである。円相当径とは名前の通りであるが、ある面積を有する図形に対し定義される量で、同じ面積を有する円の直径を意味する。   The “equivalent circle diameter” and “area” of the extracted region were output by the “particle analysis” operation of “A image” for an image of 1039 pixels × 764 pixels. The parameter settings in the analysis are as follows. The equivalent circle diameter, as the name implies, is an amount defined for a graphic having a certain area, and means the diameter of a circle having the same area.

<解析におけるパラメータ>
粒子の明度 明
2値化の方法 自動
範囲指定 なし
外縁補正 なし
穴埋め なし
小図形除去 500 nm(これ以下の面積の粒子はカウントしない)
補正方法 収縮
収縮分離 回数100 小図形10 接触度1000
雑音除去フィルタ あり
シェーディング あり
シェーディングサイズ 20
結果表示 nm
画像解析により測定領域を2値化した像を得た。得られたデータは表計算ソフトウェアにより統計処理し、適宜の円相当径区分ごとに突起状析出物の数や、その区分の突起状析出物の面積総和を求めて考察した。
<Parameters for analysis>
Particle brightness Brightness Method of binarization Automatic Range specification None Outer edge correction None Fill in hole None Small figure removal 500 nm 2 (Particles less than this area are not counted)
Correction method Shrinkage Shrinkage separation Number of times 100 Small figure 10 Contact degree 1000
Noise reduction filter Yes Shading Yes Shading size 20
Result display nm
An image obtained by binarizing the measurement region was obtained by image analysis. The obtained data was statistically processed with spreadsheet software, and the number of protruding precipitates and the total area of the protruding precipitates in each segment were determined for each appropriate circle equivalent diameter section.

<耐食性の評価(酸化処理後の耐食試験)>
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に自然電位から最大で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浸漬試験を用いて、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、金属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 (corrosion resistance test after oxidation treatment)>
In the fuel cell, a potential of about 1 [Vvs SHE] is applied to the oxygen electrode side from the natural potential at the maximum compared to 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. Therefore, the corrosion resistance is evaluated by measuring the amount of metal ions dissolved in the solution after holding for a certain period of time using an immersion test, which is an electrochemical technique, and measuring the corrosion resistance from the value of the metal ion elution amount. The degree of decrease was evaluated.

具体的には、まず、酸化処理後の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準備し、準備したサンプルをpH4の硫酸水溶液中で、温度80[℃]、100[時間]浸漬した。その際の雰囲気を、アノード極環境を模擬してNガス脱気を、カソード極環境を模擬して大気開放状態とした。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, first, a sample obtained by cutting out the central portion of each sample after the oxidation treatment into a size of 30 [mm] × 30 [mm] is prepared, and the prepared sample is heated in a sulfuric acid aqueous solution of pH 4 at a temperature of 80 [ [° C.] and 100 [hour]. The atmosphere at that time was N 2 gas degassing by simulating the anode electrode environment, and the atmosphere was opened to the atmosphere by simulating the cathode electrode environment. Thereafter, the elution amounts of Fe, Cr and Ni dissolved in the sulfuric acid aqueous solution were measured by fluorescent X-ray analysis.

実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例7における窒化により形成した窒化層の結晶構造、組織、形態、層状窒化物の層厚さ、表面から突出した突起状窒化物の最大高さ、突起状の構成、画像解析による表面より突出した突起状窒化物の単位面積あたりの面積率、及び等価円直径40[nm]以上の表面から突出した突起状窒化物の単位面積100[μm]あたりの個数、X線光電子分光計測(XPS)による4[nm] 深さまでのFe、Cr、O、N量[mol%]、酸化処理後の耐食試験前後の接触抵抗、耐食試験前後の接触抵抗差、試験溶液中のFe、Ni及びCrイオン溶出量の測定結果を表2〜表4に各々示す。
Crystal structure, structure, form, layer thickness of layered nitride, maximum height of protruding nitride protruding from surface of nitride layer formed by nitriding in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 7 , Protrusion structure, area ratio per unit area of protrusion nitride protruding from the surface by image analysis, and unit area of protrusion nitride protruding from the surface having an equivalent circular diameter of 40 [nm] or more 100 [μm 2 ], Fe, Cr, O, N amount [mol%] up to 4 [nm] depth by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), contact resistance before and after corrosion test after oxidation, contact before and after corrosion test The measurement results of the resistance difference and the elution amounts of Fe, Ni and Cr ions in the test solution are shown in Tables 2 to 4, respectively.

比較例1の試料では窒化層が形成されていない上、表面に厚い不働態皮膜が形成されている。このため、アノード条件及びカソード条件の耐食試験において、試験前及び試験後の接触抵抗は高い値を示した。イオン溶出については、基材表面に厚い不働態皮膜が形成されているために、アノード条件及びカソード条件のどちらにおいても、Fe、Ni及びCrイオンはほとんど溶出しなかった。   In the sample of Comparative Example 1, a nitrided layer is not formed, and a thick passive film is formed on the surface. For this reason, in the corrosion resistance test under the anode condition and the cathode condition, the contact resistance before and after the test showed a high value. Regarding ion elution, since a thick passive film was formed on the substrate surface, Fe, Ni, and Cr ions were hardly eluted under both anode conditions and cathode conditions.

比較例2の試料では、窒化方法としてガス窒化を用いたものであり、大気圧での処理のため、窒化層表面に厚い酸化膜が形成された。この窒化層は、酸素濃度が高く、窒素濃度の低い窒化物を含むため、アノード条件及びカソード条件の耐食試験において、試験前及び試験後の接触抵抗は高い値を示した。イオン溶出については、表面に厚い不働態皮膜が形成しているために、アノード条件及びカソード条件のどちらにおいても、Fe、Ni及びCrイオンはほとんど溶出しなかった。
比較例3の試料では、SUS316Lを基材を用いた。この場合、基材のCr含有量が18[wt%]と低いために、突起状窒化物を含む第2の窒化層の組成はFeを主体とするM4N型の単相となる。第2の窒化層表面はFe酸化膜であり、Feに対するCr比が低くなる。そして、酸化膜中の酸素(O)含有率は高く、窒素(N)含有率は低い。また、突起状の窒化物の面積率も低い。このため、アノード条件では、Fe、Ni及びCrの金属イオン溶出量がやや増大し、耐食試験後の接触抵抗もやや増大した。カソード条件では、アノード条件に比較して溶液中の酸素分圧が高い状態であるため、表面に酸化膜が形成した。このため、アノード条件に比較してFe、Ni及びCrの金属イオン溶出量がやや増大し、耐食試験後の接触抵抗もやや増大した。
In the sample of Comparative Example 2, gas nitriding was used as the nitriding method, and a thick oxide film was formed on the surface of the nitrided layer due to the treatment at atmospheric pressure. Since this nitride layer contains a nitride having a high oxygen concentration and a low nitrogen concentration, the contact resistance before and after the test showed a high value in the corrosion resistance test under the anode condition and the cathode condition. Regarding ion elution, since a thick passive film was formed on the surface, Fe, Ni and Cr ions were hardly eluted under both anode conditions and cathode conditions.
In the sample of Comparative Example 3, SUS316L was used as the base material. In this case, since the Cr content of the substrate is as low as 18 [wt%], the composition of the second nitride layer including the protruding nitride is an M 4 N type single phase mainly composed of Fe. The surface of the second nitride layer is an Fe oxide film, and the ratio of Cr to Fe is low. The oxygen (O) content in the oxide film is high and the nitrogen (N) content is low. Further, the area ratio of the protruding nitride is low. For this reason, under the anode conditions, the elution amount of metal ions of Fe, Ni and Cr slightly increased, and the contact resistance after the corrosion resistance test also slightly increased. In the cathode condition, the oxygen partial pressure in the solution was higher than that in the anode condition, so an oxide film was formed on the surface. For this reason, the metal ion elution amount of Fe, Ni, and Cr was slightly increased as compared with the anode condition, and the contact resistance after the corrosion resistance test was slightly increased.

比較例4の試料では、窒化温度が300[℃]と低いため、窒化時間60[分]では窒化層が形成されず、基材表面は基材組織そのままだった。このように、比較例4では試料の表面に厚い不働態皮膜が存在した。また、基材表面へのNイオンの衝突エネルギーが低いために、基材表面部に多くのN原子が打ち込み量が低く、基材の表面部でのスパッタリング効果が低くなった。このため、基材表面から分離したFe原子は量が少なく、基材表面に吸着する窒化鉄量も少なかったと考えられる。このように、窒化層の表面では窒素濃度が低くなり、更に窒化層表面は粒状の窒化物がほとんどみられない平滑な形状となった。このため、窒化層の表面積が小さく、GDLとの接触面積が少なくなり、結果として接触抵抗が増大した。また、アノード条件及びカソード条件の耐食試験において、試験前及び試験後の接触抵抗は高い値を示した。表面に厚い不働態皮膜が形成されているために、アノード条件及びカソード条件のどちらにおいても、Fe、Ni及びCrイオンはほとんど溶出しなかった。   In the sample of Comparative Example 4, since the nitriding temperature was as low as 300 [° C.], the nitrided layer was not formed at the nitriding time of 60 [minutes], and the substrate surface remained as it was. Thus, in Comparative Example 4, a thick passive film was present on the surface of the sample. Further, since the collision energy of N ions on the substrate surface is low, the amount of N atoms implanted into the substrate surface portion is low, and the sputtering effect on the surface portion of the substrate is low. For this reason, it is thought that the amount of Fe atoms separated from the substrate surface was small and the amount of iron nitride adsorbed on the substrate surface was also small. Thus, the nitrogen concentration was low on the surface of the nitride layer, and the surface of the nitride layer was a smooth shape with almost no granular nitride. For this reason, the surface area of the nitride layer is small, the contact area with the GDL is reduced, and as a result, the contact resistance is increased. Further, in the corrosion resistance test under the anode condition and the cathode condition, the contact resistance before and after the test showed a high value. Since a thick passive film was formed on the surface, Fe, Ni, and Cr ions were hardly eluted under both anode conditions and cathode conditions.

比較例5の試料では、窒化温度が550[℃]と高いため、表層に平均粒径が150[nm]を超える大きな突起状のCrNが形成した。このため、窒化層の一部にCr欠乏層が生じ、アノード条件での耐食試験中にFe、Ni及びCrイオンが溶出し、耐食性が悪化した。また、耐食試験中に生成した厚い酸化膜によって、試験後の接触抵抗は高い値を示した。また、カソード条件での耐食試験では、アノード条件に比較して溶液中の酸素分圧が高い状態であるため、特にCr欠乏層付近の表面に厚い酸化膜が形成された。このため、アノード条件に比較してイオン溶出はし難いものの、接触抵抗が増大した。   In the sample of Comparative Example 5, since the nitriding temperature was as high as 550 [° C.], large protruding CrN having an average particle diameter exceeding 150 [nm] was formed on the surface layer. For this reason, a Cr-deficient layer was formed in a part of the nitride layer, and Fe, Ni, and Cr ions were eluted during the corrosion resistance test under the anode condition, and the corrosion resistance was deteriorated. Further, the contact resistance after the test showed a high value due to the thick oxide film generated during the corrosion resistance test. Further, in the corrosion resistance test under the cathode condition, since the oxygen partial pressure in the solution was higher than that under the anode condition, a thick oxide film was formed particularly on the surface near the Cr-deficient layer. For this reason, although it was difficult to elute ions as compared with the anode conditions, the contact resistance increased.

これに対して、実施例1〜実施例6の各試料では、アノード条件及びカソード条件での耐食試験後の接触抵抗は低く、Fe、Ni及びCrイオン溶出量は少ない。これは、窒化後に酸により酸化処理することによって、Nとの親和力の高いCrが、格子振動によってより表面に濃化し、プラズマ窒化により基材の表面部で多くのN原子が打ち込まれたり侵入することでCrとN原子が結合し、基材の表面部において最密六方格子の結晶構造を有するCrN及びCr2NのCr窒化物を形成したためと考えられる。また、プラズマ窒化によって、基材表面へのNイオンが電圧によって加速衝突した結果、局部的に微小な面積で強く加熱される。また、同時に基材のFe、Cr及びMo等の金属原子がスパッタ(蒸発)する。従って、基材の表面部において一番多く含有するFe元素が、スパッタリング作用により、試料表面から分離し、この分離したFe原子は、試料表面近くのプラズマ中に高度に活性化した窒素と結合し、その後吸収することにより試料表面に窒化鉄として析出する。 On the other hand, in each sample of Examples 1 to 6, the contact resistance after the corrosion resistance test under the anode condition and the cathode condition is low, and the elution amounts of Fe, Ni, and Cr ions are small. This is because Cr having high affinity with N is concentrated on the surface by lattice vibration by oxidizing with acid after nitriding, and many N atoms are implanted or invaded at the surface portion of the substrate by plasma nitriding. This is thought to be because Cr and N atoms were bonded to form CrN and Cr 2 N Cr nitrides having a close-packed hexagonal lattice crystal structure on the surface of the substrate. In addition, as a result of plasma nitriding, N ions on the surface of the base material are accelerated and collided by voltage, and as a result, they are strongly heated in a very small area. At the same time, metal atoms such as Fe, Cr and Mo of the base material are sputtered (evaporated). Therefore, the most abundant Fe element in the surface portion of the substrate is separated from the sample surface by the sputtering action, and the separated Fe atoms are combined with highly activated nitrogen in the plasma near the sample surface. Then, it is absorbed as iron nitride on the sample surface by absorption.

プラズマ窒化中の基材温度が比較的高温の425〜500[℃]の場合、基材表面へのNイオンが衝突エネルギーが高くなるために、基材表面部でのスパッタリング効果が高く、試料表面から分離したFe原子量が多く、表面に吸着する窒化鉄量も多くなる。このため、基材表面部に突起状の六方晶のM2-3N及び立方晶のM4N型のいずれかの結晶構造を有する高窒素窒化物が析出する。 When the substrate temperature during plasma nitriding is 425 to 500 [° C.], which is a relatively high temperature, the collision effect of N ions on the substrate surface is high, so the sputtering effect on the substrate surface portion is high, and the sample surface The amount of Fe atoms separated from the iron is large and the amount of iron nitride adsorbed on the surface is also large. Therefore, a high nitrogen nitride having a crystal structure of any one of a projecting hexagonal M 2-3 N and cubic M 4 N type is deposited on the surface of the substrate.

また、Feに対するCr比であるCr/Feが高く、Oの含有率が30以下であり、Nの含有率が高いため、燃料電池セパレータ環境のように80〜90[℃]の高温かつ強酸性環境下においても、電子の移動が妨げられず、導電性が維持され、その上イオン溶出が抑制される。   In addition, Cr / Fe, which is the Cr ratio to Fe, is high, the O content is 30 or less, and the N content is high. Even in the environment, the movement of electrons is not hindered, conductivity is maintained, and ion elution is further suppressed.

次に、図9に酸による処理の前後の試料表面の様子を表す走査型電子顕微鏡によるSEM像観察結果を示す。図9(a)は、450[℃]でプラズマ窒化のみを行った比較例7の表面である。図9(b)は、プラズマ窒化後、大気開放下において、pH4、80[℃]の硫酸水溶液中にサンプルを100[時間]浸漬した後、表面を洗浄後乾燥した酸による酸化処理を行った実施例2の表面である。図9(c)は、N脱気したpH4、80[℃]の硫酸水溶液中に100[時間]浸漬後、表面を洗浄後乾燥した酸による酸溶解処理を行った比較例6の表面である。図9(a)において9Aで示す突起状窒化物は、図9(b)において9B、図9(c)において9Cで示すように、酸による酸化処理、酸による酸溶解どちらの処理を行っても、処理前と同じ個数が存在する。 Next, FIG. 9 shows the result of SEM image observation by a scanning electron microscope showing the state of the sample surface before and after the treatment with acid. FIG. 9A shows the surface of Comparative Example 7 in which only plasma nitriding was performed at 450 [° C.]. In FIG. 9B, after plasma nitriding, the sample was immersed in an aqueous sulfuric acid solution having a pH of 4 and 80 [° C.] for 100 [hour] in the open atmosphere, and then the surface was washed and then oxidized with a dried acid. It is the surface of Example 2. FIG. 9 (c) shows the surface of Comparative Example 6 which was immersed in a sulfuric acid aqueous solution having a pH of 4 and 80 [° C.] degassed with N 2 for 100 [hours], washed the surface, and then subjected to an acid dissolution treatment with a dried acid. is there. The protruding nitride indicated by 9A in FIG. 9A is subjected to either oxidation treatment with acid or acid dissolution treatment with acid, as indicated by 9B in FIG. 9B and 9C in FIG. 9C. There are the same number as before.

この突起状窒化物9A、9B、9Cの大きさの分布状況を調べた。図10に、突起状窒化物9A、9B、9Cについて、等価円直径の面積比で整理したグラフを示す。図10において、10Aは突起状窒化物9Aの分布を示し、10Bは突起状窒化物9Cの分布を示し、10Cは突起状窒化物9Bの分布を示す。図10に示すように、酸による酸化処理によって得られる突起状窒化物9Bの大きさは、処理前(9A)とほとんどおなじ分布を示す(10A、10C)。これに対し、酸による酸溶解処理によって得られる突起状窒化物9Cの大きさは、10Bに示すように、等価円直径が大きいものの比率が高いことが判った。   The distribution of the size of the protruding nitrides 9A, 9B, 9C was examined. FIG. 10 shows a graph arranged with respect to the area ratio of the equivalent circular diameter of the protruding nitrides 9A, 9B, and 9C. In FIG. 10, 10A indicates the distribution of the protruding nitride 9A, 10B indicates the distribution of the protruding nitride 9C, and 10C indicates the distribution of the protruding nitride 9B. As shown in FIG. 10, the size of the protruding nitride 9B obtained by the oxidation treatment with acid shows almost the same distribution as that before the treatment (9A) (10A, 10C). On the other hand, it has been found that the size of the protruding nitride 9C obtained by the acid dissolution treatment with an acid is high as shown in 10B, although the equivalent circular diameter is large.

この分布から、窒化後に酸による酸化処理後の表面、及び酸による酸溶解後の表面を面積率で比較したものを図11(a)、粒子数で比較したものを図11(b)に示す。図11(a)に示すように、突起状窒化物の面積率は、窒化後には面積率11Aであるのに対し、酸溶解処理後には面積率11Bと高くなり、酸化処理後の面積率11Cは窒化後の面積率11Aとほぼ同じである。また、図11(b)に示すように、突起状窒化物の粒子数は、窒化後には粒子数11Dであるのに対し、酸溶解処理後には粒子数11Eと高くなり、酸化処理後の粒子数11Fは窒化後の粒子数11Dとほぼ同じである。このように、酸による酸化処理によって、突起状窒化物の面積率及び粒子数は、窒化後(つまり酸化処理前)とほとんど変わらないのに対し、酸による溶解処理後は処理前と比較して面積率及び粒子数は大きくなった。これは、次に図12で示すように、突起状窒化物の一部が溶解し、更に、窒化物表面の酸化膜が厚くなることで等価円直径が大きくなったことを示している。また、酸による溶解と酸化の促進により、突起状窒化物の先端の等価円直径が大きくなったことで、観察できる粒子数が増えたことが判った。   From this distribution, FIG. 11 (a) shows a comparison of the surface after oxidation with an acid after nitriding and the surface after acid dissolution with an acid by area ratio, and FIG. 11 (b) shows a comparison with the number of particles. . As shown in FIG. 11 (a), the area ratio of the protruding nitride is 11A after nitriding, whereas it becomes as high as 11B after acid dissolution treatment, and the area ratio 11C after oxidation treatment. Is substantially the same as the area ratio 11A after nitriding. Further, as shown in FIG. 11 (b), the number of particles of the protrusion-like nitride is 11D after nitriding, whereas it becomes as high as 11E after acid dissolution treatment, and the particles after oxidation treatment. The number 11F is substantially the same as the number 11D of particles after nitriding. As described above, the area ratio and the number of particles of the protruding nitride are almost the same as after the nitriding (that is, before the oxidation treatment) by the oxidation treatment with the acid, but after the dissolution treatment with the acid, compared with that before the treatment. The area ratio and the number of particles increased. This indicates that, as shown in FIG. 12, a part of the protruding nitride is melted, and the equivalent circular diameter is increased by increasing the thickness of the oxide film on the nitride surface. It was also found that the number of particles that can be observed increased because the equivalent circular diameter at the tip of the protrusion-like nitride was increased by the dissolution and oxidation of the acid.

次に、図12に、窒化後の試料について、更に酸による酸化処理を行って得られた実施例2の表面と、酸による酸溶解処理で得られた比較例6の表面を観察した図を示す。図12(a)、(b)は、得られた試料について収束イオンビーム装置(FIB)を用いたFIB―μサンプリング法により薄膜試料を作製し、電界放射型透過電子顕微鏡(FE-TEM)による断面観察した結果である。図12(a)に示すように、酸による酸化処理後の窒化層表面の表面は、12Cで示すFe主体のMN型の結晶構造の表面にCrN主体の突起状窒化物12Bが突出して析出しており、この12Bの上に更にFe主体のMN型の結晶構造の層12Aが形成されている構造である。これに対し、図12(b)に示すように、酸による酸溶解処理後の窒化層表面の表面は、12Cで示すFe主体のMN型の結晶構造の表面にCrN主体の突起状窒化物12Bが突出して析出しており、Fe主体のMN型の結晶構造の層12Aが溶解してなくなった構造である。このように、プラズマ窒化により形成された窒化層の表面から突出した突起状窒化物は、表層がFe主体のMN型結晶構造であり、その内側にCrNを有した2重構造になっており、酸による酸溶解処理後では、表層のFe主体のMN型型は溶出し、内側のCrNのみが残存する。なお、図12(a)、(b)では観察できないが、各突起状窒化物の表面には酸化膜が形成されている。 Next, FIG. 12 is a diagram in which the surface of Example 2 obtained by further oxidizing the sample after nitriding and the surface of Comparative Example 6 obtained by acid dissolving treatment with acid are observed. Show. 12A and 12B show a thin film sample prepared by FIB-μ sampling method using a focused ion beam apparatus (FIB) for the obtained sample, and is obtained by a field emission transmission electron microscope (FE-TEM). This is a result of cross-sectional observation. Figure 12 (a), the surface of the nitrided layer surface after oxidation treatment with acid, protruding nitrides 12B 1 of CrN principal to the surface of the M 4 N type crystal structure of Fe entities indicated by 12C protrudes It has been deposited Te, a structure in which the layer 12A of the M 4 N type crystal structure further Fe principal on the 12B 1 is formed. On the other hand, as shown in FIG. 12B, the surface of the nitrided layer surface after the acid dissolution treatment with an acid is formed in a projective nitridation mainly composed of CrN on the surface of the M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe shown by 12C. This is a structure in which the product 12B 2 protrudes and precipitates and the Fe-based M 4 N type crystal structure layer 12A is not dissolved. Thus, the protruding nitride protruding from the surface of the nitride layer formed by plasma nitriding has a M 4 N type crystal structure whose surface layer is mainly Fe, and has a double structure with CrN inside. After the acid dissolution treatment with acid, the M 4 N type mainly composed of Fe on the surface layer is eluted, and only the inner CrN remains. Although not observable in FIGS. 12A and 12B, an oxide film is formed on the surface of each protruding nitride.

このように、酸による酸溶解処理後では、突起状窒化物の表層のFe主体のMN型の結晶は溶出するため、突起状の窒化物の高さは小さくなり、燃料電池用セパレータとサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物が入り、実際の接触面積が減少する。また、酸による酸溶解処理後では、突起状窒化物の表層のFe主体のMN型の結晶は溶出してCrNが露出し、このCrNの表層には薄い酸化膜が形成される。このため、突起状窒化物の表面積は、表面に酸化膜が形成成長した分だけ増大する。また、酸による酸溶解処理により、窒化後の画像解析では検出されていない微小な窒化物を核として酸化物の生成成長が起こるため、結果として面積100[μm]あたりの等価円直径で約40[nm]以上の突起状の窒化物の個数も増加する。 Thus, after the acid dissolution treatment with acid, the M 4 N type crystals mainly composed of Fe on the surface of the protruding nitride elute, so that the height of the protruding nitride is reduced, and the fuel cell separator and In contact with carbon paper made of carbon fibers of submicron units, precipitates enter between the carbon fiber gaps, and the actual contact area is reduced. After the acid dissolution treatment with acid, the M 4 N type crystal mainly composed of Fe on the surface of the protruding nitride is eluted to expose CrN, and a thin oxide film is formed on the surface layer of CrN. For this reason, the surface area of the projection-like nitride is increased by the amount of oxide film formed and grown on the surface. In addition, due to the acid dissolution treatment with acid, oxide growth occurs with a minute nitride that is not detected in the image analysis after nitriding as a nucleus, and as a result, the equivalent circular diameter per area of 100 [μm 2 ] is about The number of protrusion-shaped nitrides of 40 [nm] or more also increases.

次に、図13に突起状窒化物の構成を示す。図13(a)は、窒化層(第2の窒化層)13Aの表面に、Crを主成分とするCr系窒化物13Bと、その上に形成されたFeを主体とするFe系窒化物13Cの2層からなり、その表面がCrの酸化膜13Dで覆われている窒化物を示している。図13(b)は、窒化層(第2の窒化層)13Aの表面に、Feを主体とするFe系窒化物13Cと、その上に形成されたCrを主成分とするCr系窒化物13Bの2層からなり、その表面がCrの酸化膜13Dで覆われている窒化物を示している。図13(c)は、窒化層(第2の窒化層)13Aの表面に、Crを主成分とするCr系窒化物13Bと、これに接触して形成されたFeを主体とするFe系窒化物13Cの2層からなり、その表面がCrの酸化膜13Dで覆われている窒化物を示している。図13(d)は、窒化層(第2の窒化層)13Aの表面に、Crを主成分とするCr系窒化物13Bからなり、その表面がCrの酸化膜13Dで覆われている窒化物を示している。図13(e)は、窒化層(第2の窒化層)13Aの表面に、Feを主体とするFe系窒化物13Cからなり、その表面がFeの酸化膜13Eで覆われている窒化物を示している。Cr系窒化物13Bは六方晶のCrNの結晶構造を有する。Fe系窒化物13CはFe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する。 Next, FIG. 13 shows the structure of the protruding nitride. FIG. 13A shows a Cr-based nitride 13B mainly composed of Cr and a Fe-based nitride 13C mainly composed of Fe formed thereon on the surface of the nitrided layer (second nitrided layer) 13A. The nitride is composed of two layers, the surface of which is covered with a Cr oxide film 13D. FIG. 13B shows a Fe-based nitride 13C mainly composed of Fe and a Cr-based nitride 13B mainly composed of Cr formed thereon on the surface of the nitrided layer (second nitrided layer) 13A. The nitride is composed of two layers, the surface of which is covered with a Cr oxide film 13D. FIG. 13 (c) shows a Cr-based nitride 13B mainly composed of Cr on the surface of the nitrided layer (second nitrided layer) 13A and Fe-based nitriding mainly composed of Fe formed in contact therewith. The nitride is composed of two layers of the product 13C and the surface thereof is covered with a Cr oxide film 13D. FIG. 13D shows a nitride layer (second nitride layer) 13A having a surface made of Cr-based nitride 13B containing Cr as a main component and the surface covered with a Cr oxide film 13D. Is shown. In FIG. 13E, the nitride layer (second nitride layer) 13A is made of Fe-based nitride 13C mainly composed of Fe, and the surface is covered with an oxide film 13E of Fe. Show. The Cr-based nitride 13B has a hexagonal CrN crystal structure. The Fe-based nitride 13C has a cubic M 4 N type crystal structure mainly composed of Fe.

実施例1〜実施例6では、突起状窒化物は、図13(a)〜(c)に示すように、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まって集合体を形成するものであることが判った。これに対し、比較例では、図13(d)、(e)に示す構成であった。実施例では、第2の窒化層の表面に形成された突起状窒化物の構成がFe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まって集合体を形成したものであり、窒化物の表面にCrが露出したものであることから、窒化物の表面にCrが露出した場合には、窒化物表面にCr酸化膜が形成されやすいことが考えられた。このCr酸化膜が化学的に安定であるため、耐食試験前後での接触抵抗が低く、イオンの溶出量が抑えられたと考えられた。 In Example 1 to Example 6, as shown in FIGS. 13A to 13C, the protrusion-like nitride is composed of a nitride having an Fe-based cubic M 4 N type crystal structure and a Cr-based nitride. It was found that a plurality of hexagonal CrNs gather to form an aggregate. On the other hand, in the comparative example, it was the structure shown to FIG.13 (d), (e). In the embodiment, the structure of the projecting nitride formed on the surface of the second nitride layer includes a nitride having a Fe-based cubic M 4 N type crystal structure and a Cr-based hexagonal CrN. Aggregates are formed to form Cr, and Cr is exposed on the surface of the nitride. Therefore, when Cr is exposed on the surface of the nitride, a Cr oxide film is easily formed on the surface of the nitride. It was thought that. Since this Cr oxide film was chemically stable, it was considered that the contact resistance before and after the corrosion resistance test was low, and the ion elution amount was suppressed.

なお、表2に示すように、実施例1〜6の各試料では、基層に隣り合う窒化層は、MN型及びM2〜3N析出物が数10〜100[nm]の間隔で基材表面にMNマトリクスに積層した複合組織を形成していた。基材として使用したステンレス鋼の表面を窒化することにより、基材の表面の深さ方向に窒化層が形成され、窒化層の直下は窒化されていない未窒化層である基層となっていた。窒化層は窒化層の表面部と、第1の窒化層と基層に隣接して形成された第2の窒化層とからなり、第2の窒化層には層状の組織が繰り返された2相複合組織が観測され、MN型の結晶構造のマトリクスと、このマトリクス中に形成された層状のM2〜3N型の結晶構造であることが判明した。 As shown in Table 2, in each of the samples of Examples 1 to 6, the nitride layer adjacent to the base layer has M 4 N type and M 2 to 3 N precipitates at intervals of several 10 to 100 [nm]. A composite structure laminated on the M 4 N matrix was formed on the substrate surface. By nitriding the surface of the stainless steel used as the base material, a nitrided layer was formed in the depth direction of the surface of the base material, and a base layer, which is an unnitrided layer that was not nitrided, was formed immediately below the nitrided layer. The nitride layer includes a surface portion of the nitride layer and a first nitride layer and a second nitride layer formed adjacent to the base layer, and the second nitride layer is a two-phase composite in which a layered structure is repeated A texture was observed, and it was revealed that the matrix was a matrix of M 4 N type crystal structure and a layered M 2-3 N type crystal structure formed in this matrix.

このように、実施例1〜実施例6で強酸性環境下における電気化学的安定性に優れ、耐食性が良好であった理由は、窒化層が六方晶のM2N、M2-3N、MN型及び立方晶のM4N型のいずれかの結晶構造を有する窒化物と、立方晶のM4N型と六方晶のM2-3N型から成るナノレベルの積層結晶構造を有する窒化物とからなり、立方晶の結晶構造を有する気層と連続して存在することで、基層と窒化物間の電子移動が容易で、導電性に優れているためと考えられる。また、窒化層の表面部には、六方晶のM2N、M2-3N、MN型及び立方晶のM4N型のいずれかの結晶構造を有し、またCr量及びN量が多く、かつ、窒化物表面に薄くて安定な不働態皮膜が形成しており、酸素量も比較的多いために、燃料電池セパレータ環境のように、80〜90[℃]の高温かつ強酸性環境下においても、電子の移動が妨げられず、導電性が維持され、その上イオン溶出性に優れるようになると考えられる。また、立方晶のM4N型と六方晶のM2-3N型から成るナノレベルの積層結晶構造が、遷移金属原子間の金属結合を保ち、遷移金属原子と窒素原子との間で強い共有結合性を示すことによるためと考えられる。加えて、面心立方格子を構成する遷移金属原子が不規則に混合することにより、各遷移金属成分の部分モル自由エネルギが低下して活量を低く抑えることができたことによるものと考えられる。また、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、活量を低く抑えることができ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と考えられる。また、最表層に数十ナノレベルの薄い酸化膜が形成されているため、導電性を悪化させることなく耐食性が向上すると考えられる。 Thus, the reason why the electrochemical stability in the strong acid environment and the corrosion resistance in Examples 1 to 6 were excellent and the corrosion resistance was good was that the nitrided layer was hexagonal M 2 N, M 2-3 N, nitride having a nitride having any crystal structure of the M 4 N type MN type or cubic, the layered crystal structure of a nano-level consisting of cubic M 4 N type and M 2-3 N-type hexagonal This is considered to be because the electron transfer between the base layer and the nitride is easy and the conductivity is excellent by being continuously present with a gas layer having a cubic crystal structure. Further, the surface portion of the nitride layer has a crystal structure of any one of hexagonal M 2 N, M 2-3 N, MN type and cubic M 4 N type, and the Cr amount and N amount are Many thin and stable passive films are formed on the nitride surface, and the amount of oxygen is relatively large. Therefore, as in the fuel cell separator environment, a high temperature and strongly acidic environment of 80 to 90 [° C.] Even underneath, it is considered that the movement of electrons is not hindered, the conductivity is maintained, and the ion elution is improved. The nano-level stacked crystal structure consisting of cubic M 4 N type and hexagonal M 2-3 N type maintains the metal bond between transition metal atoms and is strong between transition metal atom and nitrogen atom. This is considered to be due to showing the covalent bond. In addition, it is considered that the transition metal atoms constituting the face-centered cubic lattice are irregularly mixed, so that the partial molar free energy of each transition metal component is lowered and the activity can be kept low. . In addition, when the nano-level fine layered structure is in two-phase equilibrium, the free energy is reduced, the activity can be kept low, the reactivity to oxidation is lowered, and the chemical stability is obtained. For this reason, it is thought that it will become excellent in corrosion resistance by suppressing oxidation especially in a strongly acidic atmosphere. Further, since a thin oxide film of several tens of nanometer level is formed on the outermost layer, it is considered that the corrosion resistance is improved without deteriorating the conductivity.

また、大気開放下における酸化処理後の第2の窒化層の表面部から突出した析出物の量は、画像解析によって得られた面積率で測定視野の10[%]以上の析出面積となり、その上、等価円直径が45[nm]以上であり、表面積に均一に分散して測定視野内の面積100[μm]あたり800[個]以上であることで、燃料電池用セパレータとサブミクロン単位のカーボン繊維からなるカーボンペーパとの接触において、カーボン繊維のすき間に析出物が入り、GDLとの接触面積が増えるために導電性に優れると考えられる。 In addition, the amount of precipitate protruding from the surface portion of the second nitride layer after the oxidation treatment in the open atmosphere is an area ratio obtained by image analysis, which is a precipitation area of 10% or more of the measurement field of view. Above, the equivalent circular diameter is 45 [nm] or more, and it is uniformly distributed over the surface area and more than 800 [pieces] per 100 [μm 2 ] area in the measurement field of view. In contact with carbon paper made of carbon fiber, precipitates enter into the gaps between the carbon fibers, and the contact area with the GDL increases, which is considered to be excellent in conductivity.

なお、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/cm]で使用される。このため、電流密度が1[A/cm]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・cm] 、つまり、図8(b)に示す装置での測定値が40[mΩ・cm] 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6では、いずれも接触抵抗が30[mΩ・cm] 以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、発電性能に優れ、小型化かつ低コスト化した燃料電池スタックを形成することが可能となる。 In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V]. However, the voltage that can be actually extracted drops due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage increases as the extracted current increases. Descent. 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 ]. Therefore, 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 with the apparatus shown in FIG. If it is [mΩ · cm 2 ] or less, it is considered that the efficiency reduction due to contact resistance can be suppressed. In all of Examples 1 to 6, since the contact resistance is 30 [mΩ · cm 2 ] or less, the fuel cell has high electromotive force per unit cell, excellent power generation performance, downsizing and cost reduction. A stack can be formed.

以上の測定結果より、実施例1〜実施例6は、比較例と比較して低接触抵抗を示し、その上、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 6 show low contact resistance as compared with the comparative example, and moreover, the amount of ion elution is small and the corrosion resistance is excellent. Therefore, both low contact resistance and corrosion resistance are obtained. At the same time, it was shown to be combined.

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する燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external appearance of the fuel cell stack comprised using the separator for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 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する燃料電池スタックの展開図である。It is an expanded view of the fuel cell stack comprised using the separator for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. (a)燃料電池用セパレータの模式的な斜視図である。(b)燃料電池用セパレータのIIIb-IIIb線断面図である。(c)燃料電池用セパレータのIIIc-IIIc線断面図である。(A) It is a typical perspective view of the separator for fuel cells. (B) It is the IIIb-IIIb sectional view taken on the line of the separator for fuel cells. (C) It is the IIIc-IIIc sectional view taken on the line of the separator for fuel cells. (a)図3(c)の要部の拡大模式図である。(b)燃料電池用セパレータの第2の窒化層の模式的断面図である。(A) It is an expansion schematic diagram of the principal part of FIG.3 (c). (B) It is a typical sectional view of the 2nd nitride layer of the separator for fuel cells. (a)MN型結晶構造を示す模式図である。(b)M2〜3N型の六方晶の結晶構造である。(A) is a schematic diagram showing an M 4 N type crystal structure. (B) M 2-3 N type hexagonal crystal structure. 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の模式的側面図である。It is a typical side view of the nitriding apparatus used for the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを搭載した電気自動車の外観を示す図であり、(a)は電気自動車の側面図、(b)は電気自動車の上面図である。It is a figure which shows the external appearance of the electric vehicle carrying the fuel cell stack which concerns on embodiment of this invention, (a) is a side view of an electric vehicle, (b) is a top view of an electric vehicle. (a)各実施例で得られた試料の接触抵抗の測定方法を説明する模式図である。(b)接触抵抗の測定に使用する装置を説明する模式図である。(A) It is a schematic diagram explaining the measuring method of the contact resistance of the sample obtained in each Example. (B) It is a schematic diagram explaining the apparatus used for the measurement of contact resistance. (a)比較例7により得られた試料の倍率100000倍のTEMによる断面組織写真である。(b)実施例2により得られた試料の倍率100000倍のTEMによる断面組織写真である。(c)比較例6により得られた試料の倍率100000倍のTEMによる断面組織写真である。(A) The cross-sectional structure | tissue photograph by TEM of the magnification of 100,000 times of the sample obtained by the comparative example 7. FIG. (B) It is the cross-sectional structure | tissue photograph by TEM of the magnification of 100,000 times of the sample obtained by Example 2. FIG. (C) It is a cross-sectional structure | tissue photograph by TEM of the magnification of 100,000 times of the sample obtained by the comparative example 6. 突起状窒化物の等価円直径と窒化物の面積率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the equivalent circular diameter of protrusion-like nitride, and the area ratio of nitride. (a)窒化後、酸による酸化処理後及び酸による酸溶解後の窒化層表面を面積率で比較した図である。(b)窒化後、酸による酸化処理後及び酸による酸溶解後の窒化層表面を粒子数で比較した図である。(A) It is the figure which compared the nitride layer surface after the nitridation, the oxidation process by an acid, and the acid dissolution by an acid by the area ratio. (B) It is the figure which compared the nitrided layer surface after the nitriding, the oxidation process by an acid, and the acid dissolution by an acid by the number of particles. (a)実施例2で得られた試料をFE-TEMにより断面観察した結果である。(b)比較例6で得られた試料の酸による溶解処理後のFE-TEMにより断面観察した結果である。(A) It is the result of having observed the cross section of the sample obtained in Example 2 by FE-TEM. (B) It is the result of having observed the cross section by FE-TEM after the dissolution process by the acid of the sample obtained in the comparative example 6. FIG. (a)突起状窒化物の構成を示す図である。(b)突起状窒化物の構成を示す図である。(c)突起状窒化物の構成を示す図である。(d)突起状窒化物の構成を示す図である。(e)突起状窒化物の構成を示す図である。(A) It is a figure which shows the structure of protrusion-like nitride. (B) It is a figure which shows the structure of protrusion-like nitride. (C) It is a figure which shows the structure of protrusion-like nitride. (D) It is a figure which shows the structure of protrusion-like nitride. (E) It is a figure which shows the structure of protrusion-like nitride. 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。It is sectional drawing which shows the structure of the single cell which forms a fuel cell stack.

符号の説明Explanation of symbols

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
11 窒化層
12 基層
20 MN型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 2 Single cell 3 Fuel cell separator 4 End flange 5 Fastening bolt 11 Nitride layer 12 Base layer 20 M 4 N-type crystal structure 21 Transition metal atom 22 Nitrogen atom

Claims (9)

オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化することにより得られる遷移金属窒化物であって、
前記遷移金属窒化物は、前記基材によって形成された基層の上に連続して形成され、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層と、
前記第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、前記基材の表面窒化処理部として前記基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層とを備え、
前記第2の層は前記第2の層の表面部から突出した析出物を有し、前記第2の層の表面部から突出した析出物は、Fe主体の立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物とCr主体の六方晶のCrNとが複数集まった集合体を含み、かつ表面にCr酸化膜を有することを特徴とする遷移金属窒化物。
A transition metal nitride obtained by nitriding a base material containing austenitic stainless steel,
The transition metal nitride is continuously formed on a base layer formed by the base material, and has a cubic M 4 N type crystal structure and a hexagonal M 2-3 N type crystal. A first layer having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a structure;
At least one of a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure and a cubic M 4 N type crystal structure formed continuously on the first layer. A second layer formed continuously from the surface of the base material in the depth direction as a surface nitriding portion of the base material, including a nitride having a crystal structure of
The second layer has a precipitate protruding from the surface portion of the second layer, and the precipitate protruding from the surface portion of the second layer is an Fe-based cubic M 4 N type crystal. A transition metal nitride comprising an aggregate of a plurality of nitrides having a structure and Cr-based hexagonal CrN and having a Cr oxide film on a surface thereof.
オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材から形成された基層と、
前記基層の直接上に形成された請求項1に係る遷移金属窒化物の窒化層を備えることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
A base layer formed from a substrate comprising austenitic stainless steel;
A fuel cell separator comprising the transition metal nitride nitride layer according to claim 1 formed directly on the base layer.
オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材を窒化して形成される遷移金属窒化物の製造方法であって、
前記基材表面に、立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層を形成し、
前記第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、前記基材の表面窒化処理部として前記基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層を形成し、
前記第2の層を形成した後に、前記第2の層の表面を酸により酸化処理することを特徴とする遷移金属窒化物の製造方法。
A method for producing a transition metal nitride formed by nitriding a base material containing austenitic stainless steel,
A first surface having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a cubic M 4 N type crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N type crystal structure on the substrate surface. Forming a layer of
At least one of a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure and a cubic M 4 N type crystal structure formed continuously on the first layer. A second layer formed continuously from the surface of the base material in the depth direction as a surface nitriding portion of the base material, including a nitride having a crystal structure of
A method for producing a transition metal nitride, comprising: oxidizing the surface of the second layer with an acid after forming the second layer.
オーステナイト系ステンレス鋼を含む基材にプレス成形して燃料又は酸化剤の通路を形成するプレス成形し、プレス成形された基材を窒化して、前記基材表面に立方晶のM4N型の結晶構造を有する窒化物と六方晶のM2-3N型の結晶構造を有する窒化物とを含むナノレベルの積層結晶構造を有する第1の層を形成し、
前記第1の層の上に連続して形成され、六方晶のCrN、CrN並びにM2−3N型の結晶構造、及び立方晶のMN型の結晶構造のうちの少なくとも1種の結晶構造を有する窒化物を含み、前記基材の表面窒化処理部として前記基材の表面から深さ方向に連続して形成された第2の層を形成し、
前記第2の層を形成した後に、前記第2の層の表面を酸により酸化処理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。
A base material containing austenitic stainless steel is press-molded to form fuel or oxidant passages, the press-molded base material is nitrided, and a cubic M 4 N type is formed on the surface of the base material. Forming a first layer having a nano-level stacked crystal structure including a nitride having a crystal structure and a nitride having a hexagonal M 2-3 N-type crystal structure;
At least one of a hexagonal Cr 2 N, CrN and M 2-3 N type crystal structure and a cubic M 4 N type crystal structure formed continuously on the first layer. A second layer formed continuously from the surface of the base material in the depth direction as a surface nitriding portion of the base material, including a nitride having a crystal structure of
After forming the second layer, the surface of the second layer is oxidized with an acid.
前記窒化は、プラズマ窒化法であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 4, wherein the nitriding is a plasma nitriding method. 前記プラズマ窒化法は、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、遮断を繰り返すパルスプラズマ電源を用いることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   6. The fuel cell separator according to claim 5, wherein the plasma nitriding method uses a pulsed plasma power source that repeatedly discharges and shuts off, with a plasma discharge time and a plasma cut-off time being 1-1000 [μsec]. Manufacturing method. 前記プラズマ窒化法は、前記基材の温度が400[℃]以上500[℃]以下の状態で行うことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method of manufacturing a fuel cell separator according to claim 5 or 6, wherein the plasma nitriding method is performed in a state where the temperature of the base material is 400 [° C] or more and 500 [° C] or less. 請求項2に係る燃料電池用セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池スタック。   A fuel cell stack using the fuel cell separator according to claim 2. 請求項8に係る燃料電池スタックを動力源として備えることを特徴とする燃料電池車両。   A fuel cell vehicle comprising the fuel cell stack according to claim 8 as a power source.
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