JP2010086897A - Fuel cell separator, and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method for manufacturing the fuel cell separator.
燃料電池において、用いるセパレータの接触抵抗を低減し、耐久性を上げる目的で、セパレータの表面に直接窒化物層を設けたものが提案されている。 In the fuel cell, in order to reduce the contact resistance of the separator to be used and increase the durability, a fuel cell in which a nitride layer is directly provided on the surface of the separator has been proposed.
例えば、ステンレス鋼板の表面に導電性セラミック層を形成した燃料電池セパレータが提案されている(特許文献1参照)。また、セパレータ基材の表面に異なる種類の2層以上の金属窒化層を形成した燃料電池セパレータが提案されている(特許文献2参照)。
しかしながら、窒化物は硬いという特性を有するため、窒化物層を厚くできない。このため、窒化物層にピンホール等の膜欠陥が生じやすく、長期間の使用によって耐食性を維持できないという問題がある。このため、基材の材料には耐食性の優れたステンレス鋼やチタンに限定され、安価なアルミニウム等を用いることができない。 However, since the nitride has a characteristic of being hard, the nitride layer cannot be thickened. For this reason, film defects such as pinholes are likely to occur in the nitride layer, and there is a problem that the corrosion resistance cannot be maintained by long-term use. For this reason, the base material is limited to stainless steel and titanium having excellent corrosion resistance, and inexpensive aluminum or the like cannot be used.
また、ステンレス鋼と窒化物層とでは材質の硬さの差が大きい。このため、基材表面に形成した窒化物層の基材との密着性が悪く、長期間の使用によって窒化物層がはがれ、耐久性が悪いという問題がある。 Further, there is a large difference in material hardness between the stainless steel and the nitride layer. For this reason, the adhesion of the nitride layer formed on the substrate surface to the substrate is poor, and there is a problem that the nitride layer is peeled off by long-term use and the durability is poor.
さらに、セパレータの量産性及び低コスト化のためには、ロール材のまま表面処理した後にセパレータ形状に成形するという工順が不可欠である。しかしながら、窒化物は伸びが小さいため、プレス等による成形により窒化物層が割れて基材が露出し、イオン溶出量が多くなるという問題がある。このように、工順がプレス成形の後に表面処理の順番に限定されるため、生産性が悪く、コストが高いという問題がある。 Further, in order to reduce the mass productivity and cost of the separator, it is indispensable to perform the process of forming the separator shape after the surface treatment with the roll material. However, since the elongation of the nitride is small, there is a problem that the nitride layer is cracked by molding with a press or the like, the base material is exposed, and the ion elution amount increases. As described above, since the order of operations is limited to the order of surface treatment after press molding, there is a problem that productivity is poor and cost is high.
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、本発明に係る燃料電池セパレータは、セパレータ基材によって形成された基層と、この基層の上に形成され基層表面に連続して設けられた金属層と、この金属層の上に形成された金属窒化物層と、を有することを特徴とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and a fuel cell separator according to the present invention includes a base layer formed by a separator base material and a base layer formed on the base layer and continuously provided on the base layer surface. And a metal nitride layer formed on the metal layer.
本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、セパレータ基材の表面に金属層を形成し、次にこの金属層の上に物理気相成長法により金属窒化物層を形成することを特徴とする。 The method for producing a fuel cell separator according to the present invention is characterized in that a metal layer is formed on the surface of a separator substrate, and then a metal nitride layer is formed on the metal layer by physical vapor deposition. .
本発明によれば、接触抵抗が低く、耐食性にも優れかつ製造コストが安い燃料電池セパレータを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell separator that has low contact resistance, excellent corrosion resistance, and low manufacturing costs.
また、本発明によれば、上記のように接触抵抗が低く耐食性にも優れかつコストの安い燃料電池セパレータの製造が可能となる。 Further, according to the present invention, as described above, it is possible to manufacture a fuel cell separator that has low contact resistance, excellent corrosion resistance, and low cost.
以下、本発明に係る燃料電池セパレータ及び燃料電池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 fuel cell separator and the method for producing the fuel cell separator according to the present invention will be described with reference to an example applied to a polymer electrolyte fuel cell.
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ1の平面図である。図2は、燃料電池セパレータ1の要部の拡大図である。燃料電池セパレータ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と交互に複数個積層されて燃料電池スタックを構成する。燃料電池スタックは、例えば動力源として燃料電池電気自動車に搭載される。 FIG. 1 is a plan view of a fuel cell separator 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the fuel cell separator 1. A plurality of fuel cell separators 1 are alternately stacked with a single cell serving as a basic unit for generating electric power by an electrochemical reaction to constitute a fuel cell stack. The fuel cell stack is mounted on a fuel cell electric vehicle as a power source, for example.
各単セルは、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セパレータ1を配置して、燃料電池セパレータ1内部にガス流路を画成する。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。単セルと燃料電池セパレータ1とを積層した後、両端部にエンドフランジを配置して、外周部を締結ボルトにより締結して燃料電池スタックを構成する。また、燃料電池スタックには、各単セル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。 Each single cell 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 a fuel electrode on both sides of the membrane electrode assembly. The battery separator 1 is disposed and a gas flow path is defined inside the fuel cell separator 1. 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 the single cell and the fuel cell separator 1 are stacked, end flanges are arranged at both ends, and the outer peripheral portion is fastened with fastening bolts to constitute a fuel cell stack. The fuel cell stack is supplied with a hydrogen supply line for supplying a fuel gas containing hydrogen such as hydrogen gas to each single cell, an air supply line for supplying air as an oxidant gas, and cooling water. A cooling water supply line is provided.
図1、2に示した燃料電池セパレータ1の詳細を説明する。燃料電池セパレータ1は、セパレータ基材の表面部3aを表面処理することにより得られ、セパレータ基材によって形成された基材の未処理層である基層3と、この基層3の上に形成され、基層3の表面に連続して設けられた金属層4と、この金属層4の上に形成された金属窒化物層5を有する。金属層4は基材の表面部3a全域を覆うように緻密に形成されており、金属層4の上には物理気相成長法により金属窒化物層5が形成されている。金属層4の下面4aはセパレータ基材の表面部3a、つまり、基層3と接しており、金属層4の上面4bは、金属窒化物層5の下面5aと接触している。燃料電池セパレータ1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2が形成されている。流路2と流路2との間には、流路2と流路2とで画成された平板部を備え、流路2及び平板部の外面に沿って金属窒化物層5が延在する。平板部は、燃料電池セパレータ1と単セル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し、ガス拡散層との間に燃料ガスの流路を画成する。
Details of the fuel cell separator 1 shown in FIGS. The fuel cell separator 1 is obtained by surface-treating the
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ1は、基層3と金属窒化物層5との間に金属層4をはさむ構成とすることによって、金属窒化物層5にピンホールができた場合であっても金属層4が耐食性を示すため、燃料電池セパレータ1の耐食性は維持される。前述したように、金属窒化物の単層膜の場合には、ピンホールのないコーティング作製が難しいため、長期間の使用によって耐食性が悪くなる。これに対し、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ1では、金属層4を有するため、この点を解消することができる。また、金属は窒化物と比較して伸びがよいため、最外層の金属窒化物層5が割れても、金属層4は割れないため基層3が露出しない。このため、基層3からのイオン溶出量が低く抑えられ、耐久性がよい。
In the fuel cell separator 1 according to the embodiment of the present invention, the
また、金属層4を有することにより、基材の材料として耐食性の優れたステンレス鋼やチタンに限定されず、安価なアルミニウム等を用いることができる。このため、低コスト化をはかることができる。基材としてアルミニウム材を使用した場合、アルミニウムは軽量であるため、燃料電池の軽量化がはかれる。更に、接触抵抗が低い金属窒化物層5を表面に設けた構成としたため、接触抵抗が低い燃料電池セパレータを提供することができる。また、基層3と金属窒化物層5との間の金属層4により、基層3と金属窒化物層5との密着性が良くなるため、長期間の使用によって金属窒化物層5がはがれにくくなり、耐久性が良くなる。
Moreover, by having the
本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ1は、セパレータ基材の表面に金属層4を形成し、次にこの金属層4の上に物理気相成長法(PVD)により金属窒化物層5を形成することによって得られる。この方法を用いた場合、ロール材のまま表面処理した後成形するという工順が成立するため、量産性がよく、低コストである。このように、本発明によれば、上記のように接触抵抗が低く耐食性にも優れかつコストの安い燃料電池セパレータの製造が可能となる。
In the fuel cell separator 1 according to the embodiment of the present invention, the
金属層4は、セパレータ基材の表面部3aを物理気相成長法、又はめっきすることにより形成する。金属層を基材表面に形成する方法であれば方法は問わない。例えば、電気めっき、蒸着が挙げられる。蒸着のうち、真空めっきの一つであるPVDを用いることができる。PVDによる成膜では、まずセパレータ基材の表面から酸化物皮膜を除去するために、アルゴンで表面をスパッタクリーニングする。次いで、アルゴンと共に窒素ガスを導入し、金属層を成膜する。PVDを用いると、セパレータ基材の表面に容易に金属層を形成することが可能となる。
The
基層3を形成する基材は、例えば、ステンレス鋼材、チタン材、アルミニウム材などの金属基材が挙げられる。これらの金属材料は軽いため、燃料電池の軽量化、ひいては燃料電池自動車の軽量化及び省エネ化をはかることができる。また、これらの材料は、表面処理によって金属層を形成しやすい。ステンレス鋼材は、用途によってマルテンサイト系、フェライト系、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系及び析出硬化系のいずれも使用可能である。チタン材は、純チタン及びチタン合金のいずれも使用可能であり、アルミニウム材は、純アルミニウム及びアルミニウム合金のいずれも使用可能である。
As for the base material which forms the
金属層4は、クロムを含むことが好ましい。クロムは耐食性がよいため、金属層4がクロムを含む場合には燃料電池セパレータ1からのイオン溶出量が少なくなる。また、クロムは基材としてステンレス鋼材、チタン材、アルミニウム材を用いた場合、基材と金属窒化物との硬さの中間に位置するため、金属層4がクロムを含む場合には更に基層3と金属窒化物層5との密着性がよくなり、長期間の使用にも膜が剥離しないため耐久性が良くなる。また、クロムは金属窒化物と比較して伸びがよいため、最外層の金属窒化物が割れても、クロム層は割れず、またクロム層はピンホールが少ないため基層3が露出しない。よって、燃料電池セパレータ1からのイオン溶出量が低く抑えられ、耐久性が良くなる。
The
金属窒化物層5は、クロム窒化物を含むことが好ましい。クロム窒化物は低抵抗であるため、燃料電池セパレータの導電性が良くなる。また、クロム窒化物は耐食性がよいため、イオン溶出量が少なくなる。
The
金属窒化物層5は、上述のようにセパレータ基材の表面に金属層4を形成した後に、金属層4の上にPVDにより形成する。この場合、クロムはスパッタレートが速いため、生産性がよく、低コストであるまた、PVDはピンホールなどの欠陥の少ないコーティングが可能なため、導電性、耐食性がよい金属窒化物層が得られる。
The
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池セパレータ及び燃料電池セパレータの製造方法によれば、接触抵抗が低く、耐食性にも優れかつ製造コストが安い燃料電池セパレータが得られる。また、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燃料電池スタックは、発電性能に優れ、この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、燃料電池車両の燃費向上を図ることができる。また、燃料電池車両だけではなく、電気エネルギーが要求される航空機その他の機関や静置型燃料電池に適用することも可能である。 As described above, according to the fuel cell separator and the method for manufacturing the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention, a fuel cell separator having low contact resistance, excellent corrosion resistance, and low manufacturing cost can be obtained. In addition, the fuel cell stack to which the fuel cell separator according to the embodiment of the present invention is applied has excellent power generation performance. By mounting this fuel cell stack on a vehicle such as an automobile, the fuel consumption of the fuel cell vehicle is improved. Can do. Further, the present invention can be applied not only to fuel cell vehicles but also to aircraft and other engines that require electrical energy, and stationary fuel cells.
次に、実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例3について説明する。各実施例は、本発明に係る燃料電池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。 Next, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 will be described. Each example was for examining the effectiveness of the fuel cell separator according to the present invention, and each sample was prepared by treating the raw material under different conditions, and is limited to the illustrated example. is not.
<試料の調製>
各実施例及び比較例では、基材としてJIS規格のSUS316L真空焼鈍材(厚さ0.1mm)を用いた。脱脂洗浄した後、基材表面にコーティングを行った。コーティングは、アルゴンガスによるスパッタクリーニングの工程、アルゴンガス雰囲気下(0.1Pa〜10Pa)、温度200℃、バイアス電圧200Vで金属層を形成する工程、及びアルゴンと窒素の混合ガス雰囲気下(0.1Pa〜10Pa)、温度200℃、バイアス電圧200Vで金属窒化層を形成する工程の3工程を有する。
<Preparation of sample>
In each example and comparative example, a JIS standard SUS316L vacuum annealed material (thickness 0.1 mm) was used as a base material. After degreasing and cleaning, the substrate surface was coated. The coating includes a step of sputter cleaning with argon gas, a step of forming a metal layer under an argon gas atmosphere (0.1 Pa to 10 Pa), a temperature of 200 ° C. and a bias voltage of 200 V, and a mixed gas atmosphere of argon and nitrogen (0. 1 Pa to 10 Pa), a temperature of 200 ° C., and a bias voltage of 200 V, including three steps of forming a metal nitride layer.
実施例1、2、3は、表1に示すようにコーティング時の窒素分圧を0.02Pa〜1.00Paの範囲でそれぞれ設定した。また、比較例1金属層のみ、比較例2は金属窒化物層のみの構成とした。比較例6はコーティングを行わず、ステンレス基材そのままとした。
得られた試料に対して接触抵抗を測定した後、腐食試験を行い、再度接触抵抗を測定した。 After measuring the contact resistance of the obtained sample, a corrosion test was performed and the contact resistance was measured again.
<接触抵抗値の測定>
得られた試料の中央近傍から30mm×30mmの大きさに試料を切り出し、この試料の接触抵抗を測定した。測定装置にはアルバック理工株式会社製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置TRS−2000SS型を用いた。図3に示すように、電極11a、11bとサンプル12との間にカーボンペーパ13a、13bを介在させて、電極11a/カーボンペーパ13a/サンプル12/カーボンペーパ13b/電極11bの構成とした。この組み立て品一式に電流計、電圧計及び直流電源を接続した。測定面圧1.0MPaにて1A/cm2の電流を流した際の電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ(東レ株式会社製カーボンペーパTGP−H−090 厚さ0.26mm、かさ密度0.49g/cm3、厚さ方向体積抵抗率0.07Ω・cm2)を用いた。電極は、直径φ10のCu製電極を用いた。
<Measurement of contact resistance value>
A sample was cut into a size of 30 mm × 30 mm from the vicinity of the center of the obtained sample, and the contact resistance of this sample was measured. As a measuring device, a pressure load contact electric resistance measuring device TRS-2000SS type manufactured by ULVAC-RIKO Inc. was used. As shown in FIG. 3,
<腐食試験>
試料を30mm×30mmの大きさに切り出した後、pH4の硫酸水溶液中で、温度80℃で70時間浸漬した。
<Corrosion test>
The sample was cut out to a size of 30 mm × 30 mm and then immersed in a sulfuric acid aqueous solution of
<結果>
実施例1〜実施例3及び比較例1〜比較例3で得られた結果について、表2に腐食試験前後の接触抵抗を示す。
Regarding the results obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3, Table 2 shows the contact resistance before and after the corrosion test.
比較例3に示すように、基材表面処理を行わない場合には、基材表面に酸化物膜があるため、腐食試験前後共に接触抵抗は高かった。実施例1〜実施例3に示すように、基材の表面に金属層と金属窒化物層を形成した多層構造の場合には、腐食後も接触抵抗を低く抑えられた。これに対し、比較例1の金属窒化物単層の場合には、腐食前の抵抗は実施例1〜実施例3の多層構造と同等だったが、金属窒化物層はピンホール等の欠陥が多い構造のため、腐食試験中に金属窒化物層に酸素が浸入し、腐食後の接触抵抗は高くなった。また、比較例2の金属の単層の場合には、金属層表面に酸化皮膜が形成されるため、腐食前、腐食後共に接触抵抗が高くなった。 As shown in Comparative Example 3, when the substrate surface treatment was not performed, the contact resistance was high both before and after the corrosion test because there was an oxide film on the substrate surface. As shown in Examples 1 to 3, in the case of a multilayer structure in which a metal layer and a metal nitride layer were formed on the surface of a substrate, the contact resistance was kept low even after corrosion. On the other hand, in the case of the metal nitride single layer of Comparative Example 1, the resistance before corrosion was equivalent to the multilayer structure of Examples 1 to 3, but the metal nitride layer had defects such as pinholes. Due to the large number of structures, oxygen entered the metal nitride layer during the corrosion test, and the contact resistance after corrosion increased. In the case of the single metal layer of Comparative Example 2, an oxide film was formed on the surface of the metal layer, so that the contact resistance was high both before and after corrosion.
以上より、実施例1〜実施例3で得られた試料は、腐食試験前後共に接触抵抗は低く維持でき、耐食性にも優れる。また、実施例1〜実施例3で得られた試料は、表面処理工程が容易である。このように、本発明の実施の形態に係るセパレータは低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備え、低コストで得られることがわかった。このセパレータを用いることにより、燃料電池の出力を高い状態で維持することができ、耐久性も向上することが示された。 From the above, the samples obtained in Examples 1 to 3 can be kept low in contact resistance before and after the corrosion test, and are excellent in corrosion resistance. Moreover, the surface treatment process is easy for the samples obtained in Examples 1 to 3. Thus, it has been found that the separator according to the embodiment of the present invention has both low contact resistance and corrosion resistance at the same time, and can be obtained at low cost. It was shown that by using this separator, the output of the fuel cell can be maintained in a high state and the durability is improved.
1…燃料電池セパレータ
2…流路
3…基層
3a…表面部
4…金属層
4a…下面
4b…上面
5…金属窒化物層
5a…下面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (5)
前記基層の上に形成され前記基層表面に連続して設けられた金属層と、
前記金属層の上に形成された金属窒化物層と、を有することを特徴とする燃料電池セパレータ。 A base layer formed by a separator substrate;
A metal layer formed on the base layer and continuously provided on the surface of the base layer;
And a metal nitride layer formed on the metal layer.
次に前記金属層の上に物理気相成長法により金属窒化物層を形成することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。 Forming a metal layer on the surface of the separator substrate,
Next, a method of manufacturing a fuel cell separator, comprising forming a metal nitride layer on the metal layer by physical vapor deposition.
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