JP2011243327A - Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof - Google Patents
Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2011243327A JP2011243327A JP2010112415A JP2010112415A JP2011243327A JP 2011243327 A JP2011243327 A JP 2011243327A JP 2010112415 A JP2010112415 A JP 2010112415A JP 2010112415 A JP2010112415 A JP 2010112415A JP 2011243327 A JP2011243327 A JP 2011243327A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- stainless steel
- separator
- austenitic stainless
- fuel cell
- polymer electrolyte
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Description
この発明は、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造方法およびその製造方法によって製造されたセパレータを用いた固体高分子型燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a separator used in a polymer electrolyte fuel cell and a polymer electrolyte fuel cell using a separator produced by the method.
水素と酸素とを電気化学的に反応させることにより、電気を取り出す燃料電池は、二酸化炭素(CO2)の排出を大きく低減することが可能な技術であると共に、従来の内燃機関に比べて効率が高く、静粛性に優れ、さらに、大気汚染の原因となるNOx、SOxおよびPM等の排出量が少ないという特徴を有している。 Fuel cells that extract electricity by electrochemically reacting hydrogen and oxygen are technologies that can greatly reduce carbon dioxide (CO 2 ) emissions and are more efficient than conventional internal combustion engines. In addition, it is characterized in that it is high in quietness and emits less NO x , SO x, PM, etc., which cause air pollution.
このため、燃料電池は、クリーンなエネルギー変換装置として国際的にも研究開発が精力的に進められており、これまでに、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、および固体酸化物型燃料電池等が開発されている。 For this reason, fuel cells have been energetically researched and developed internationally as clean energy conversion devices. To date, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid oxide fuel cells have been developed. Fuel cells have been developed.
このような状況の下、近年、自動車用および家庭用等の小型の発電に適した燃料電池として、固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池が注目されるようになったのは、性能が一段と向上した固体高分子電解質膜を用いることによって電池の出力密度が飛躍的に向上し、高効率という従来からの燃料電池の特性に加え、小型化および低温作動が可能になったからである。 Under such circumstances, in recent years, a polymer electrolyte fuel cell has attracted attention as a fuel cell suitable for small-scale power generation for automobiles and households. This solid polymer fuel cell has attracted attention because the use of a solid polymer electrolyte membrane with further improved performance dramatically improves the output density of the cell, resulting in high efficiency. This is because in addition to the characteristics of the battery, miniaturization and low-temperature operation are possible.
固体高分子型燃料電池は、数十〜数百個の単位電池を直列に接続して所要電力を得る。そして、単位電池は、固体高分子電解質膜と、アノード側ガス拡散電極と、カソード側ガス拡散電極と、アノード側セパレータと、カソード側セパレータとを備える。アノード側ガス拡散電極およびカソード側ガス拡散電極は、固体高分子電解質膜の両側に配置される。アノード側セパレータは、アノード側ガス拡散電極に接して配置され、カソード側セパレータは、カソード側ガス拡散電極に接して配置される。 The polymer electrolyte fuel cell obtains required power by connecting several tens to several hundreds of unit cells in series. The unit cell includes a solid polymer electrolyte membrane, an anode side gas diffusion electrode, a cathode side gas diffusion electrode, an anode side separator, and a cathode side separator. The anode side gas diffusion electrode and the cathode side gas diffusion electrode are arranged on both sides of the solid polymer electrolyte membrane. The anode side separator is disposed in contact with the anode side gas diffusion electrode, and the cathode side separator is disposed in contact with the cathode side gas diffusion electrode.
このような、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、隣り合う単位電池間を電気的に接続する集電体としての役目だけでなく、単位電池の外壁構造部材としても機能し、さらに、水素および空気をそれぞれアノード側ガス拡散電極またはカソード側ガス拡散電極へ供給する通路としても機能する。 Such an anode-side separator and cathode-side separator not only serve as a current collector for electrically connecting adjacent unit cells, but also function as an outer wall structural member of the unit cell. Respectively function as a passage for supplying the gas to the anode side gas diffusion electrode or the cathode side gas diffusion electrode.
したがって、アノード側セパレータおよびカソード側セパレータには、機械強度、導電性、および固体高分子型燃料電池の置かれる腐食環境に対する耐食性が要求される。 Therefore, the anode side separator and the cathode side separator are required to have mechanical strength, electrical conductivity, and corrosion resistance against a corrosive environment where the polymer electrolyte fuel cell is placed.
従来、生産性の向上を目的としてステンレスからなるセパレータが用いられている。しかし、ステンレスは、その表面に不働態被膜を形成することによって耐食性が向上するが、電気抵抗が低くなる。 Conventionally, a separator made of stainless steel has been used for the purpose of improving productivity. However, although the corrosion resistance is improved by forming a passive film on the surface of stainless steel, the electrical resistance is lowered.
そこで、従来、電気抵抗を低減するために、表面に金をメッキしたステンレスからなるセパレータが知られている(特許文献1)。また、導電性を有する炭化物系金属または硼化物系金属を表面に析出させたステンレスからなるセパレータが知られている(特許文献2)。更に、導電性炭素膜を表面に形成した金属部材からなるセパレータが知られている(特許文献3)。そして、導電性炭素膜は、ECR(Electron Cyclotron Resonance)スパッタリングによって形成される。 Therefore, conventionally, a separator made of stainless steel whose surface is plated with gold in order to reduce electric resistance is known (Patent Document 1). In addition, a separator made of stainless steel having a conductive carbide metal or boride metal deposited on the surface is known (Patent Document 2). Furthermore, a separator made of a metal member having a conductive carbon film formed on the surface is known (Patent Document 3). The conductive carbon film is formed by ECR (Electron Cyclotron Resonance) sputtering.
一方、耐食性の向上を目的として、表面をチタンまたはチタン合金によって被覆したフェライト系ステンレス合金からなるセパレータが知られている(特許文献4)。 On the other hand, for the purpose of improving corrosion resistance, a separator made of a ferritic stainless alloy whose surface is coated with titanium or a titanium alloy is known (Patent Document 4).
しかし、特許文献1に開示されたセパレータは、ステンレスの表面に金をメッキして作製されるため、高価であるという問題がある。
However, since the separator disclosed in
また、特許文献2に開示されたセパレータは、炭化物系金属または硼化物系金属をステンレスの表面に析出して作製されるため、耐食性が低いという問題がある。
In addition, the separator disclosed in
更に、特許文献3においては、導電性炭素膜は、ECRスパッタリングによって形成されるため、セパレータが高価になるという問題がある。
Furthermore, in
更に、特許文献4においては、ステンレスと異なる材料からなる被覆層をステンレスの表面に形成する必要があり、セパレータが高価になるという問題がある。
Furthermore, in
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用の安価なセパレータの製造方法を提供することである。 Accordingly, the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide an inexpensive separator manufacturing method for a polymer electrolyte fuel cell having low electrical resistance and excellent corrosion resistance. It is to be.
また、この発明の別の目的は、貴金属を用いずに、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた安価なセパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供することである。 Another object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell including an inexpensive separator having a low electric resistance and excellent corrosion resistance without using a noble metal.
この発明によれば、セパレータの製造方法は、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、オーステナイト系ステンレスを加工する第1の工程と、第1の工程によって加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する第2の工程と、第2の工程によって処理されたオーステナイト系ステンレスを400〜680℃の温度で浸炭する第3の工程と、第3の工程によって浸炭されたオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する第4の工程とを備える。 According to this invention, a separator manufacturing method is a separator manufacturing method used for a polymer electrolyte fuel cell, which includes a first step of processing austenitic stainless steel, and an austenite processed by the first step. A second step of treating the stainless steel in a heated state in a fluorine gas atmosphere, a third step of carburizing the austenitic stainless steel treated in the second step at a temperature of 400 to 680 ° C., and a third step And a fourth step of cleaning the austenitic stainless steel carburized by the acid.
また、この発明によれば、固体高分子型燃料電池は、請求項1に記載された製造方法によって製造されたセパレータを備える。
According to the invention, the polymer electrolyte fuel cell includes the separator manufactured by the manufacturing method described in
この発明の実施の形態によるセパレータの製造方法によれば、オーステナイト系ステンレスの加工、フッ化処理、浸炭処理、および酸による洗浄を順次行なうことによって、セパレータが製造される。その結果、浸炭硬化層がオーステナイト系ステンレスの表面に形成され、フッ素を含む層がオーステナイト系ステンレスの最表面に形成される。そして、製造されたセパレータは、優れた耐食性、およびカーボンセパレータとほぼ同等の低い接触抵抗を有する。また、製造されたセパレータは、母材であるオーステナイト系ステンレスの表面に他の材料からなる被覆層を形成する工程を経て製造されるものではない。 According to the method for manufacturing a separator according to the embodiment of the present invention, a separator is manufactured by sequentially performing processing of an austenitic stainless steel, fluorination treatment, carburization treatment, and cleaning with an acid. As a result, a carburized hardened layer is formed on the surface of the austenitic stainless steel, and a layer containing fluorine is formed on the outermost surface of the austenitic stainless steel. The manufactured separator has excellent corrosion resistance and low contact resistance almost equal to that of the carbon separator. Moreover, the manufactured separator is not manufactured through the process of forming the coating layer which consists of another material on the surface of the austenitic stainless steel which is a base material.
従って、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する固体高分子型燃料電池のセパレータを安価に提供できる。 Therefore, a polymer electrolyte fuel cell separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance can be provided at low cost.
また、この発明の実施の形態によれば、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する安価なセパレータを用いて固体高分子型燃料電池が作製される。 Moreover, according to the embodiment of the present invention, a polymer electrolyte fuel cell is manufactured using an inexpensive separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance.
従って、耐食性に優れ、かつ、低い接触抵抗を有する安価なセパレータを備えた固体高分子型燃料電池を提供できる。 Accordingly, it is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell including an inexpensive separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance.
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図1は、この発明の実施の形態によるセパレータの製造方法を示すフローチャートである。図1を参照して、セパレータの製造が開始されると、オーステナイト系ステンレスを加工する(ステップS1)。この場合、オーステナイト系ステンレスは、例えば、切削加工またはプレス加工によって加工される。この加工によって、水素ガスまたは空気(または酸素ガス)を流す流路が形成され、セパレータが製造される。 FIG. 1 is a flowchart showing a separator manufacturing method according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, when the manufacture of the separator is started, austenitic stainless steel is processed (step S1). In this case, the austenitic stainless steel is processed by, for example, cutting or pressing. By this processing, a flow path for flowing hydrogen gas or air (or oxygen gas) is formed, and a separator is manufactured.
そして、加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する(ステップS2)。 Then, the processed austenitic stainless steel is treated in a heated state in a fluorine gas atmosphere (step S2).
その後、フッ素ガス雰囲気中で処理されたオーステナイト系ステンレスを400〜680℃の温度で浸炭処理する(ステップS3)。 Thereafter, the austenitic stainless steel treated in the fluorine gas atmosphere is carburized at a temperature of 400 to 680 ° C. (step S3).
引き続いて、浸炭処理後のオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する(ステップS4)。これによって、セパレータが製造される。 Subsequently, the austenitic stainless steel after the carburizing treatment is washed with an acid (step S4). Thereby, a separator is manufactured.
この発明の実施の形態において、オーステナイト系ステンレスとは、1〜3重量%のモリブデンを含むSUS316,SUS316L,SUS317、5〜6重量%のモリブデンと、オーステナイト安定化元素である0.1〜0.4重量%の窒素(N)と、22〜25重量%のニッケル(Ni)とを含むステンレス、およびモリブデンを含まず、13〜25重量%のクロム(Cr)と、8〜22重量%のNiとを含むSUS304,SUS310等を言う。 In the embodiment of the present invention, the austenitic stainless steel is SUS316, SUS316L, SUS317, 5-6% by weight molybdenum containing 1-3% by weight molybdenum, and 0.1-0. Stainless steel containing 4 wt% nitrogen (N), 22-25 wt% nickel (Ni), and molybdenum free, 13-25 wt% chromium (Cr), and 8-22 wt% Ni SUS304, SUS310, etc. including these.
図2は、図1に示すステップS2,S3における処理を行なう処理装置の概略図である。図2を参照して、処理装置100は、マッフル炉1と、真空ポンプ13と、排ガス処理装置14と、ボンベ15,16と、流量計17と、バルブ18とを備える。マッフル炉1は、外殻2と、ヒータ3と、内容器4と、ガス導入管5と、排気管6と、モータ7と、ファン8と、かご11とを含む。かご11は、金網製である。
FIG. 2 is a schematic diagram of a processing apparatus that performs the processes in steps S2 and S3 shown in FIG. Referring to FIG. 2, the
オーステナイト系ステンレスからなるステンレス製品10をマッフル炉1のかご11内に入れ、ボンベ16を流路に接続してNF3等のフッ素系ガスを流量計17、バルブ18およびガス導入管5を介してマッフル炉1内に導入し、加熱しながらステンレス製品10をフッ化処理する。
A
その後、マッフル炉1内に導入したフッ素系ガスを真空ポンプ13によって排気管6から排気し、排ガス処理装置14内でフッ素系ガスを無毒化して外部へ放出する。
Thereafter, the fluorine-based gas introduced into the
次に、ボンベ15を流路に接続し、H2ガス、COガスおよびCO2ガスからなる浸炭用ガスを流量計17、バルブ18およびガス導入管5を介してマッフル炉1内に導入して浸炭処理を行なう。
Next, the
その後、排気管6および排ガス処理装置14を経由してガスを外部へ排出する。この一連の作業により、フッ化処理および浸炭処理が行なわれる。
Thereafter, the gas is discharged to the outside via the exhaust pipe 6 and the exhaust
このようなフッ化処理および浸炭処理を行なうことによって、オーステナイト系ステンレスの表面に「炭素」の拡散浸透層(浸炭硬化層)が均一に形成される。この浸炭硬化層は、母相であるオーステナイト相中に、多量の炭素原子が固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度が向上し、しかも母材以上の耐食性を発揮する。 By performing such a fluorination treatment and a carburizing treatment, a diffusion penetration layer (carburization hardening layer) of “carbon” is uniformly formed on the surface of the austenitic stainless steel. This carburized hardened layer is in a state in which a large amount of carbon atoms are dissolved in the austenite phase, which is the matrix phase, causing lattice distortion, and the hardness is significantly improved compared to the matrix, and more than that of the matrix. Demonstrate the corrosion resistance.
フッ化処理および浸炭処理の詳細について説明する。代表的なオーステナイト系ステンレスであるSUS316板片をサンプルとして用い、図2に示す処理装置100のマッフル炉1内にSUS316を入れてフッ化処理および浸炭処理を行なった。
Details of the fluorination treatment and the carburization treatment will be described. A SUS316 plate piece, which is a typical austenitic stainless steel, was used as a sample, and SUS316 was placed in the
より具体的には、NF3+N2(NF3:10体積%、N2:90体積%)のフッ素系ガス雰囲気中において、SUS316を350℃で20分間、フッ化処理を行なう。そして、フッ素系ガスをマッフル炉1から排気したのち、浸炭用ガスであるCO+CO2+H2からなる混合ガス(CO:38体積%+CO2:2体積%+H2:60体積%)をマッフル炉1内に導入し、450℃で18時間保持し、浸炭処理を行なった。
More specifically, SUS316 is fluorinated at 350 ° C. for 20 minutes in a fluorine-based gas atmosphere of NF 3 + N 2 (NF 3 : 10 vol%, N 2 : 90 vol%). Then, after exhausting the fluorine-based gas from the
この浸炭処理を行なったSUS316をJIS 2371の塩水噴霧試験に供した結果、480時間を越えても全く発錆しなかった。また、浸炭処理によって形成された浸炭硬化層は、ステンレス組織の耐腐食試験に用いられるビルラ試薬(酸性ピクリン酸アルコール溶液)でもエッチングされなかった。 As a result of subjecting the carburized SUS316 to the salt spray test of JIS 2371, no rusting occurred even after 480 hours. Moreover, the carburized hardened layer formed by the carburizing treatment was not etched even by the Birla reagent (acidic picric alcohol solution) used for the corrosion resistance test of the stainless steel structure.
オーステナイト系ステンレスの種類および浸炭処理の温度を変化させて調査した結果、浸炭処理の温度は、680℃以下が適していることが分かった。浸炭処理の温度が680℃を超えると、オーステナイト系ステンレスの芯部の軟化が極端に生じ易くなる上、浸炭硬化層の耐食性が大幅に低下することが確認された。従って、耐食性の観点からは、浸炭処理の温度は、680℃以下の温度が好ましく、500℃以下の温度がより好ましく、400〜500℃の温度が更に好ましい。 As a result of investigating by changing the kind of austenitic stainless steel and the temperature of carburizing treatment, it was found that the temperature of carburizing treatment is suitably 680 ° C. or less. It has been confirmed that when the temperature of the carburizing treatment exceeds 680 ° C., the core portion of the austenitic stainless steel is extremely easily softened and the corrosion resistance of the carburized hardened layer is significantly reduced. Therefore, from the viewpoint of corrosion resistance, the temperature of the carburizing treatment is preferably 680 ° C. or less, more preferably 500 ° C. or less, and even more preferably 400 to 500 ° C.
その結果、この発明の実施の形態においては、図1のステップS2に示すように、400〜680℃の温度でオーステナイト系ステンレスの浸炭処理が行なわれる。 As a result, in the embodiment of the present invention, as shown in step S2 of FIG. 1, carburization of austenitic stainless steel is performed at a temperature of 400 to 680 ° C.
また、図1のステップS3に示す酸による洗浄は、次の条件によって行なわれる。5体積%HF+25体積%HNO3からなる溶液にオーステナイト系ステンレスを常温で20分間、浸漬して浸炭処理後のオーステナイト系ステンレスを洗浄する。 Further, the acid cleaning shown in step S3 of FIG. 1 is performed under the following conditions. Austenitic stainless steel is immersed in a solution composed of 5 volume% HF + 25 volume% HNO 3 at room temperature for 20 minutes to clean the austenitic stainless steel after carburizing treatment.
なお、酸による洗浄は、50℃に加熱した状態で行なってもよい。また、洗浄に用いる酸としては、フッ酸、硝酸、塩酸および硫酸等の各種の酸が用いられる。そして、これらの酸は、単独で用いられてもよいし、硝酸+フッ酸、硝酸+塩酸、および硫酸+硝酸等の混合液として用いられてもよい。また、硝酸および硫酸等の電解溶液を使用した電解処理を行なってもよい。 In addition, you may perform the washing | cleaning by an acid in the state heated at 50 degreeC. As the acid used for washing, various acids such as hydrofluoric acid, nitric acid, hydrochloric acid and sulfuric acid are used. And these acids may be used independently and may be used as liquid mixture, such as nitric acid + hydrofluoric acid, nitric acid + hydrochloric acid, and sulfuric acid + nitric acid. Further, electrolytic treatment using an electrolytic solution such as nitric acid and sulfuric acid may be performed.
図3は、各種処理後のオーステナイト系ステンレスのX線光電子分光の測定結果を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing measurement results of X-ray photoelectron spectroscopy of austenitic stainless steel after various treatments.
図3の(a)は、図1に示すステップS2〜S4の処理を実施したオーステナイト系ステンレスのX線光電子分光の測定結果である。また、図3の(b)は、図1に示すステップS1〜S3の処理後に表面研磨処理を実施したオーステナイト系ステンレスのX線光電子分光の測定結果である。更に、図3の(c)は、図1に示すステップS1のみの処理を実施したオーステナイト系ステンレスのX線光電子分光の測定結果である。 (A) of FIG. 3 is a measurement result of the X-ray photoelectron spectroscopy of the austenitic stainless steel which performed the process of step S2-S4 shown in FIG. Moreover, (b) of FIG. 3 is the measurement result of the X-ray photoelectron spectroscopy of the austenitic stainless steel which performed the surface polishing process after the process of step S1-S3 shown in FIG. Further, (c) of FIG. 3 is a measurement result of X-ray photoelectron spectroscopy of the austenitic stainless steel subjected to the processing of only step S1 shown in FIG.
なお、表面研磨処理は、0.5MPaの空気圧下において、アルミナの微粉末を1〜2分間程度、吹き付けることによって行なわれた。また、図3に示す時間は、Arイオンによるエッチング時間である。 The surface polishing treatment was performed by spraying fine alumina powder for about 1 to 2 minutes under an air pressure of 0.5 MPa. Further, the time shown in FIG. 3 is an etching time by Ar ions.
図3を参照して、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、60sまでのエッチング時間の範囲において、フッ素に起因するピークが685.5eV付近に観測された((a)参照)。これは、図1のステップS2に示すフッ化処理において使用したフッ素が残留しているためであると考えられる。 Referring to FIG. 3, in the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling, a peak due to fluorine was observed around 685.5 eV in the range of the etching time up to 60 s ((a )reference). This is considered to be because the fluorine used in the fluorination treatment shown in step S2 of FIG. 1 remains.
一方、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および研磨処理を行なったオーステナイト系ステンレスは、フッ素に起因するピークが観測されなかった(図3の(b)参照)。これは、研磨処理によって、フッ素を含む層が除去されたためであると考えられる。 On the other hand, in the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and polishing treatment, no peak due to fluorine was observed (see FIG. 3B). This is considered to be because the layer containing fluorine was removed by the polishing treatment.
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、500秒以上のエッチングを行なってもフッ素に起因するピーク(688eV付近のピーク)が観測され続ける(図3の(c)参照)。従って、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスに比べ、非常に厚い被膜が生成されていると考えられる。 Further, in the austenitic stainless steel subjected to only the fluorination treatment, a peak (peak near 688 eV) caused by fluorine continues to be observed even after etching for 500 seconds or more (see (c) of FIG. 3). Therefore, it is considered that an austenitic stainless steel that has undergone only fluorination treatment has a much thicker film than austenitic stainless steel that has undergone fluorination treatment, carburization treatment, and pickling.
このように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、その表面層にフッ素を含む層が存在することが分かった。 Thus, it was found that the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling has a fluorine-containing layer on the surface layer.
図4は、オーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す図である。図4において、縦軸は、電圧を表し、横軸は、電流密度を表す。また、直線群k1は、生のオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群k2は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群k3(三角)は、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群k4(三角を除く)は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。更に、直線群k5は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスの電圧と電流密度との関係を示す。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between voltage and current density of austenitic stainless steel. In FIG. 4, the vertical axis represents voltage, and the horizontal axis represents current density. Moreover, the straight line group k1 shows the relationship between the voltage and current density of raw austenitic stainless steel. Furthermore, the straight line group k2 shows the relationship between the voltage and current density of austenitic stainless steel that has undergone only fluorination treatment. Furthermore, the straight line group k3 (triangle) shows the relationship between the voltage and current density of the austenitic stainless steel subjected to the fluorination treatment and the carburization treatment. Furthermore, the straight line group k4 (except for the triangle) shows the relationship between the voltage and current density of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling. Furthermore, the straight line group k5 shows the relationship between the voltage and current density of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and surface polishing.
なお、図4に示す電圧と電流密度との関係は、4端子法を用いて次の方法によって測定された。燃料電池のMEA(Membrane Electrode Assembly)に用いられるカーボンペーパー(EC−TP1−060T)をオーステナイト系ステンレスの片面に接触させ、約1MPaの圧力をオーステナイト系ステンレスに印加し、±1[A/cm2]の電流密度の範囲で0.2[A/cm2/s]の走査速度で電流密度を走査して電圧と電流密度との関係が測定された。 The relationship between voltage and current density shown in FIG. 4 was measured by the following method using a four-terminal method. A carbon paper (EC-TP1-060T) used for MEA (Membrane Electrode Assembly) of a fuel cell is brought into contact with one side of austenitic stainless steel, and a pressure of about 1 MPa is applied to the austenitic stainless steel, and ± 1 [A / cm 2 The current density was scanned at a scanning speed of 0.2 [A / cm 2 / s] in the current density range, and the relationship between voltage and current density was measured.
図4を参照して、生のオーステナイト系ステンレスは、約41mΩ・cm2の接触抵抗を有する(直線群k1参照)。 Referring to FIG. 4, raw austenitic stainless steel has a contact resistance of about 41 mΩ · cm 2 (see straight line group k1).
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、約0.9Ω・cm2の高い接触抵抗を有する(直線源k2参照)。 Moreover, the austenitic stainless steel which performed only the fluorination process has a high contact resistance of about 0.9 ohm * cm < 2 > (refer linear source k2).
更に、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスは、約3mΩ・cm2の接触抵抗を有する(直線群k3参照)。 Furthermore, the austenitic stainless steel subjected to the fluorination treatment and the carburization treatment has a contact resistance of about 3 mΩ · cm 2 (see the straight line group k3).
更に、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、約3mΩ・cm2の接触抵抗を有する(直線群k4参照)。 Furthermore, the austenitic stainless steel subjected to the fluorination treatment, the carburization treatment and the pickling has a contact resistance of about 3 mΩ · cm 2 (see the straight line group k4).
更に、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスは、約90mΩ・cm2の接触抵抗を有する(直線群k5参照)。 Further, the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and surface polishing has a contact resistance of about 90 mΩ · cm 2 (see the straight line group k5).
なお、図4においては、図示されていないが、カーボンセパレータについて同様の測定を行なった結果、接触抵抗は、2mΩ・cm2であった。 In addition, although not shown in FIG. 4, as a result of performing the same measurement on the carbon separator, the contact resistance was 2 mΩ · cm 2 .
フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスは、X線光電子分光の測定結果から被膜が特に厚い(図3の(c)参照)ことから、約0.9Ω・cm2の大きい接触抵抗は、被膜が厚いことに対応している。 Since austenitic stainless steel was carried out only fluorination treatment is particularly thick film from the measurement results of X-ray photoelectron spectroscopy (see FIG. 3 (c)), a large contact resistance of about 0.9Ω · cm 2, the coating Corresponds to the thick.
フッ化処理に続いて浸炭処理を行なうことで被膜の厚みが薄くなり、結果として接触抵抗が小さくなる。また、接触抵抗を低減するためには、フッ化処理に続いて浸炭処理を行なうことが重要である。 Carburizing treatment subsequent to fluorination treatment reduces the thickness of the coating, resulting in lower contact resistance. In order to reduce the contact resistance, it is important to perform a carburizing process after the fluorination process.
このように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、カーボンセパレータとほぼ同等の低い接触抵抗を有する。これは、上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスの最表面にフッ素を含む層が存在するためであると考えられる。 As described above, the austenitic stainless steel subjected to the fluorination treatment, the carburizing treatment, and the pickling has a low contact resistance substantially equal to that of the carbon separator. As described above, this is considered to be because a layer containing fluorine exists on the outermost surface of the austenitic stainless steel that has been subjected to fluorination treatment, carburization treatment, and pickling.
従って、オーステナイト系ステンレスに対してフッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なうことによって、低い接触抵抗を有するオーステナイト系ステンレスが得られることが分かった。 Therefore, it has been found that an austenitic stainless steel having low contact resistance can be obtained by subjecting the austenitic stainless steel to fluorination treatment, carburizing treatment and pickling.
図5は、アノード分極曲線の測定結果を示す図である。図5において、縦軸は、電流密度を表し、横軸は、参照電極に対する電位を表す。また、曲線k6は、フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線k7は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線k8は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線k9は、生のオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。更に、曲線k10は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスのアノード分極曲線を示す。 FIG. 5 is a diagram showing the measurement results of the anodic polarization curve. In FIG. 5, the vertical axis represents the current density, and the horizontal axis represents the potential with respect to the reference electrode. A curve k6 shows an anodic polarization curve of austenitic stainless steel that has been subjected to fluorination treatment and carburization treatment. Further, a curve k7 shows an anodic polarization curve of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling. Further, a curve k8 shows an anodic polarization curve of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and surface polishing. Furthermore, the curve k9 shows the anodic polarization curve of raw austenitic stainless steel. Further, a curve k10 shows an anodic polarization curve of austenitic stainless steel that has been subjected only to the fluorination treatment.
なお、図5に示すアノード分極曲線は、Ag/AgClからなる参照電極、白金からなる対極および各オーステナイト系ステンレスを1Nの硫酸水溶液からなる電解質溶液に浸漬し、その後、24時間が経過したときの自然電位を掃引開始電位とし、室温、20mV/sの掃引速度で測定された。 The anodic polarization curve shown in FIG. 5 is obtained when the reference electrode made of Ag / AgCl, the counter electrode made of platinum, and each austenitic stainless steel are immersed in an electrolyte solution made of 1N sulfuric acid aqueous solution, and then 24 hours have passed. The measurement was performed at room temperature and a sweep rate of 20 mV / s with the natural potential as the sweep start potential.
図5を参照して、0.9V付近までの比較的平坦な領域は、不働態域と呼ばれる。そして、この不働態域で観測される電流は、不働態維持電流と呼ばれ、不働態被膜の化学溶解により減少した分を補修するために使われる。不働態維持電流が小さい程、化学溶解が遅く、耐食性が高い。 Referring to FIG. 5, a relatively flat region up to around 0.9 V is called a passive state region. The current observed in this passive region is called the passive state maintaining current, and is used to repair the amount reduced by the chemical dissolution of the passive film. The smaller the passive state maintaining current, the slower the chemical dissolution and the higher the corrosion resistance.
また、図5において、1V付近よりも右側の領域は、過不働領域と呼ばれる。そして、この過不働領域では、不働態被膜の酸化溶解が起きる。この過不働領域における電流値の立上りが高電位側にある方が望ましい。 Further, in FIG. 5, the region on the right side of the vicinity of 1V is referred to as the overpassive region. In this overpassive region, the passive film is oxidized and dissolved. It is desirable that the rise of the current value in this overpassive region is on the high potential side.
フッ化処理および浸炭処理を行なったオーステナイト系ステンレス(曲線k6)は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレス(曲線k7)よりも不働態維持電流が大きい。また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレス(曲線k10)も、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレス(曲線k7)よりも不働態維持電流が大きい。 The austenitic stainless steel (curve k6) subjected to the fluorination treatment and the carburizing treatment has a larger passive state maintaining current than the austenitic stainless steel (curve k7) subjected to the fluorination treatment, carburization treatment and pickling. In addition, austenitic stainless steel (curve k10) subjected to only fluorination treatment also has a passive state maintaining current larger than austenitic stainless steel (curve k7) subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling.
しかし、オーステナイト系ステンレス(曲線k6)は、2回目以降の電位走査においては、オーステナイト系ステンレス(曲線k7)に近い応答を示す。従って、オーステナイト系ステンレス(曲線k6)は、不働態維持電流が大きいのではなく、フッ化処理および浸炭処理の際に生成した表面生成物の酸化除去による電流が流れていると考えられる。酸洗は、表面に生成した易酸化性物質の除去に効果があると考えられる。 However, austenitic stainless steel (curve k6) shows a response close to that of austenitic stainless steel (curve k7) in the second and subsequent potential scans. Therefore, it is considered that the austenitic stainless steel (curve k6) does not have a large passive state maintaining current but a current due to oxidation removal of the surface product generated during the fluorination treatment and the carburizing treatment. Pickling is considered to be effective in removing easily oxidizable substances generated on the surface.
フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレス(曲線k8)は、不働態維持電流がオーステナイト系ステンレス(曲線k7)よりも減少している。これは、オーステナイト系ステンレス(曲線k7)の表面が比較的粗面であるのに対し、オーステナイト系ステンレス(曲線k8)の表面は、研磨仕上げにより平滑化されているため、オーステナイト系ステンレス(曲線k8)の見かけの単位面積当たりの実表面積は、オーステナイト系ステンレス(曲線k7)よりも小さく、実表面積当たりの電流密度がオーステナイト系ステンレス(曲線k7)およびオーステナイト系ステンレス(曲線k8)で同じであるなら、オーステナイト系ステンレス(曲線k8)の見かけの単位面積当たりの電流、即ち、電流密度は、オーステナイト系ステンレス(曲線k7)よりも減少することになるからである。 The austenitic stainless steel (curve k8) subjected to fluorination treatment, carburizing treatment, pickling and surface polishing has a lower passive state maintaining current than the austenitic stainless steel (curve k7). This is because the surface of the austenitic stainless steel (curve k7) is relatively rough, whereas the surface of the austenitic stainless steel (curve k8) is smoothed by the polishing finish, so the austenitic stainless steel (curve k8). ) The actual surface area per unit area is smaller than that of austenitic stainless steel (curve k7), and the current density per actual surface area is the same for austenitic stainless steel (curve k7) and austenitic stainless steel (curve k8). This is because the apparent current per unit area of the austenitic stainless steel (curve k8), that is, the current density, is smaller than that of the austenitic stainless steel (curve k7).
オーステナイト系ステンレス(曲線k7)およびオーステナイト系ステンレス(曲線k8)は、基準となるオーステナイト系ステンレス(曲線k9)の挙動に比較的近いことから、浸炭処理は、上述した実験条件において、1Vまでの電位域であれば、基材の耐食性に悪影響を及ぼさないと考えられる。 Since the austenitic stainless steel (curve k7) and the austenitic stainless steel (curve k8) are relatively close to the behavior of the standard austenitic stainless steel (curve k9), the carburizing treatment is performed at a potential of up to 1 V under the above-described experimental conditions. If it is in the range, it is considered that the corrosion resistance of the substrate is not adversely affected.
上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、優れた耐食性と、低い接触抵抗を有することが分かった。そして、このオーステナイト系ステンレスは、異なる材料からなる被覆層が表面に形成されない。 As described above, it has been found that the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling has excellent corrosion resistance and low contact resistance. In this austenitic stainless steel, a coating layer made of a different material is not formed on the surface.
従って、図1に示す製造方法を用いてセパレータを製造することによって、優れた耐食性と、低い接触抵抗とを有する安価なセパレータを提供できる。 Therefore, by manufacturing the separator using the manufacturing method shown in FIG. 1, an inexpensive separator having excellent corrosion resistance and low contact resistance can be provided.
そして、図1に示すように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なった後、表面研磨をせずにセパレータを製造することが重要である。表面研磨をしなければ、フッ素を含む層が除去されず(図3参照)、セパレータは、低い接触抵抗(図4参照)と、優れた耐食性(図5参照)とを有するからである。 And as shown in FIG. 1, after performing a fluorination process, a carburizing process, and pickling, it is important to manufacture a separator, without surface-polishing. If the surface polishing is not performed, the fluorine-containing layer is not removed (see FIG. 3), and the separator has low contact resistance (see FIG. 4) and excellent corrosion resistance (see FIG. 5).
図6は、図1に示す製造方法によって製造したセパレータを備えた固体高分子型燃料電池の断面図である。図6を参照して、固体高分子型燃料電池200は、固体高分子電解質膜110と、ガス拡散電極120,130と、セパレータ140,150と、ガスケット160,170とを備える。
6 is a cross-sectional view of a polymer electrolyte fuel cell including a separator manufactured by the manufacturing method shown in FIG. Referring to FIG. 6, the solid
ガス拡散電極120は、その一主面に触媒180を担持し、触媒180が固体高分子電解質膜110の一方面に接するように固体高分子電解質膜110の一方側に配置される。また、ガス拡散電極130は、その一主面に触媒190を担持し、触媒190が固体高分子電解質膜110の他方面に接するように固体高分子電解質膜110の他方側に配置される。
The
セパレータ140は、図1に示す製造方法によって製造され、ガス拡散電極120の一主面(触媒180が担持された一主面と反対側の一主面)に接するように配置される。セパレータ150は、図1に示す製造方法によって製造され、ガス拡散電極130の一主面(触媒190が担持された一主面と反対側の一主面)に接するように配置される。
The
ガスケット160は、固体高分子電解質膜110の外周部とセパレータ140の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ140の外周部を固体高分子電解質膜110の外周部に連結する。ガスケット170は、固体高分子電解質膜110の外周部とセパレータ150の外周部との間に設けられ、気密性を保持してセパレータ150の外周部を固体高分子電解質膜110の外周部に連結する。
The
固体高分子電解質膜110は、たとえば、フッ素系のイオン交換膜からなる。ガス拡散電極120,130の各々は、ガス透過性および導電性を有する多孔体からなる。触媒180,190の各々は、白金(Pt)または白金合金(Pt−Ru)からなる。ガスケット160,170の各々は、フッ素樹脂、バイトンゴム、シリコンゴムおよびエチレンプロピレンゴム等のいずれかからなる。そして、フッ素樹脂は、より具体的には、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、およびテトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)等である。
The solid
固体高分子電解質膜110は、触媒180によって分離された電子e−と水素イオンH+とのうち、水素イオンH+のみを触媒190側へ通過させる。ガス拡散電極120は、セパレータ140から供給された水素ガスを触媒180へ拡散させる。触媒180は、ガス拡散電極120に供給された水素ガスを電子e−と水素イオンH+とに分離する。
The solid
ガス拡散電極130は、セパレータ150から供給された空気(または酸素)を触媒190へ拡散させる。触媒190は、固体高分子電解質膜110から供給された水素イオンH+と、ガス拡散電極130から供給された電子e−と空気(または酸素)とを反応させ、水を生成する。
The
セパレータ140は、ガス拡散電極120に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝140Aを有する。そして、セパレータ140は、ガス供給溝140Aを介して水素ガスをガス拡散電極120に供給する。
The
セパレータ150は、ガス拡散電極130に接する一主面に凹凸構造からなるガス供給溝150Aを有する。そして、セパレータ150は、ガス供給溝150Aを介して空気(または酸素)をガス拡散電極130に供給する。
The
固体高分子型燃料電池100が発電する動作について説明する。セパレータ140のガス供給溝140Aを介して水素がガス拡散電極120へ供給されると、ガス拡散電極120は、水素ガスを触媒180へ拡散し、触媒180は、水素を水素イオンH+と電子e−とに分離する。
An operation of generating power by the polymer
そうすると、固体高分子電解質膜110は、触媒180によって分離された水素イオンH+および電子e−のうち、水素イオンH+のみを透過して触媒190へ供給する。一方、電子e−は、触媒180からガス拡散電極120を介してセパレータ140へ移動し、セパレータ140から外部の負荷(図示せず)を介してセパレータ150へ流れる。そして、セパレータ150は、電子e−をガス拡散電極130へ供給する。
Then, the solid
また、空気(または酸素)がセパレータ150のガス供給溝150Aを介してガス拡散電極130へ供給される。そして、ガス拡散電極130は、空気(または酸素)を触媒190へ拡散し、電子e−を触媒190へ供給する。
Air (or oxygen) is supplied to the
そうすると、水素イオンH+、空気(または酸素)および電子e−は、触媒190の助けを借りて反応し、水になる。
Then, the hydrogen ions H + , air (or oxygen), and electrons e − react with the help of the
このようにして、固体高分子型燃料電池200は発電する。
In this way, the polymer
図7は、固体高分子型燃料電池の出力特性を示す図である。図7において、縦軸は、セル電圧を表し、横軸は、電流密度および電流を表す。 FIG. 7 is a graph showing output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 7, the vertical axis represents cell voltage, and the horizontal axis represents current density and current.
また、黒三角は、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。 The black triangles indicate the output characteristics of a polymer electrolyte fuel cell using a separator made of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and surface polishing.
更に、白丸は、フッ化処理、浸炭処理、および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。 Further, white circles indicate the output characteristics of a polymer electrolyte fuel cell using a separator made of austenitic stainless steel that has been fluorinated, carburized, and pickled.
更に、黒四角は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。 Further, the black squares indicate the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell using the carbon separator.
更に、白菱形は、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の出力特性を示す。 Furthermore, the white rhombus shows the output characteristics of a polymer electrolyte fuel cell using a separator made of austenitic stainless steel subjected to only fluorination treatment.
なお、図7に示す出力特性は、65℃の露点および70℃の運転温度における発電時の出力特性である。 The output characteristics shown in FIG. 7 are output characteristics during power generation at a dew point of 65 ° C. and an operating temperature of 70 ° C.
図7を参照して、フッ化処理、浸炭処理、酸洗および表面研磨を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池(比較用)のセル電圧は、電流密度の増加に伴って急激に低下する(黒三角参照)。 Referring to FIG. 7, the cell voltage of a polymer electrolyte fuel cell (for comparison) using a separator made of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment, pickling and surface polishing is increased in current density. Abruptly decreases with this (see black triangle).
また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池(比較用)の出力特性は、非常に低い(白菱形参照)。 In addition, the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell (for comparison) using a separator made of austenitic stainless steel subjected to only fluorination treatment is very low (see white rhombus).
一方、フッ化処理、浸炭処理、および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池200のセル電圧は、電流密度の増加に伴って緩やかに低下する(白丸参照)。そして、固体高分子型燃料電池200のセル電圧は、各電流密度において、固体高分子型燃料電池(比較用)のセル電圧よりも高く、固体高分子型燃料電池200のセル電圧と固体高分子型燃料電池(比較用)のセル電圧との差は、電流密度の増加に伴って大きくなる。また、固体高分子型燃料電池200のセル電圧は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のセル電圧とほぼ同等である(白丸および黒四角参照)。
On the other hand, the cell voltage of the polymer
従って、固体高分子型燃料電池200は、出力特性が固体高分子型燃料電池(比較用)よりも高く、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池と同等であることが分かった。
Therefore, it was found that the polymer
図8は、固体高分子型燃料電池のインピーダンスプロットを示す図である。図8において、縦軸および横軸は、インピーダンスを表す。また、曲線k11は、固体高分子型燃料電池200のインピーダンスプロットを示す。曲線k12,k14は、固体高分子型燃料電池(比較用)のインピーダンスプロットを示す。曲線k13は、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のインピーダンスプロットを示す。
FIG. 8 is a diagram showing an impedance plot of the polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 8, the vertical axis and the horizontal axis represent impedance. A curve k11 shows an impedance plot of the polymer
なお、図8に示すインピーダンスプロットは、0.08[A/cm2]の電流密度における発電時のインピーダンスプロットである。 The impedance plot shown in FIG. 8 is an impedance plot during power generation at a current density of 0.08 [A / cm 2 ].
図8を参照して、固体高分子型燃料電池200のRs1は、5.9mΩであり(曲線k11参照)、固体高分子型燃料電池(比較用)のRs2は、48mΩであり(曲線k12参照)、固体高分子型燃料電池(比較用)のRs4は、93mΩであり(曲線k14参照)であり、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のRs3は、5.0mΩである(曲線k13参照)。
Referring to FIG. 8, Rs1 of the polymer
Rs1〜Rs3は、セパレータの接触抵抗を反映したものである。また、フッ化処理のみを行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータを用いた固体高分子型燃料電池のRs4は、接触抵抗が大きいことを反映している。従って、固体高分子型燃料電池200の接触抵抗は、固体高分子型燃料電池(比較用)の接触抵抗よりも小さく、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の接触抵抗とほぼ同等である。
Rs1 to Rs3 reflect the contact resistance of the separator. Further, Rs4 of the polymer electrolyte fuel cell using a separator made of austenitic stainless steel subjected to only fluorination treatment reflects a high contact resistance. Therefore, the contact resistance of the polymer
その結果、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータは、固体高分子型燃料電池というデバイスにおいて低い接触抵抗を有することが実証された。 As a result, it was demonstrated that a separator made of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling has a low contact resistance in a device called a polymer electrolyte fuel cell.
上述したように、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスは、浸炭硬化層を表面側に有し、フッ素を含む層を最表面に有する。その結果、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータは、優れた耐食性、および低い接触抵抗を有する。そして、固体高分子型燃料電池200は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータの低い接触抵抗によって、カーボンセパレータを用いた固体高分子型燃料電池とほぼ同等の出力特性を有する。また、固体高分子型燃料電池200は、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なったオーステナイト系ステンレスからなるセパレータの優れた耐食性によって、信頼性が高い。
As described above, the austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling has a carburized hardened layer on the surface side and a layer containing fluorine on the outermost surface. As a result, a separator made of austenitic stainless steel subjected to fluorination treatment, carburization treatment and pickling has excellent corrosion resistance and low contact resistance. The polymer
従って、図1に示す製造方法を用いることによって、電気抵抗が低く、かつ、耐食性に優れた固体高分子型燃料電池用のセパレータを安価に提供できる。 Therefore, by using the manufacturing method shown in FIG. 1, a separator for a polymer electrolyte fuel cell having low electrical resistance and excellent corrosion resistance can be provided at low cost.
また、上述したように、固体高分子型燃料電池のセパレータに適したオーステナイト系ステンレスを製造するには、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行ない、酸洗後の表面研磨を行なわないことが重要である。 Further, as described above, in order to produce an austenitic stainless steel suitable for a separator of a polymer electrolyte fuel cell, fluorination treatment, carburization treatment and pickling are performed, and surface polishing after pickling is not performed. is important.
表面研磨を行なえば、固体高分子型燃料電池の出力特性が低下し(図7の黒三角参照)、Rsが48mΩと大きくなるからである。 This is because if the surface polishing is performed, the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell are lowered (see the black triangle in FIG. 7), and Rs is increased to 48 mΩ.
また、フッ化処理のみでは、固体高分子型燃料電池の出力特性が非常に低下し(図7の白菱形参照)、Rsが93mΩと非常に大きくなるからである。 Moreover, it is because only the fluorination treatment causes the output characteristics of the polymer electrolyte fuel cell to be extremely deteriorated (see the white rhombus in FIG. 7), and Rs becomes as large as 93 mΩ.
そして、フッ化処理、浸炭処理および酸洗を行なうことによって、固体高分子型燃料電池のセパレータに適したオーステナイト系ステンレスが製造されることは、本願の発明者によって見出されたものである。 The inventors of the present application have found that an austenitic stainless steel suitable for a separator of a polymer electrolyte fuel cell is manufactured by performing fluorination treatment, carburization treatment, and pickling.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims for patent, and is intended to include meanings equivalent to the scope of claims for patent and all modifications within the scope.
この発明は、固体高分子型燃料電池用のセパレータの製造方法に適用される。また、この発明は、セパレータを備えた固体高分子型燃料電池に適用される。 The present invention is applied to a method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell. The present invention is also applied to a polymer electrolyte fuel cell having a separator.
1 マッフル炉、2 外殻、3 ヒータ、4 内容器、5 ガス導入管、6 排気管、7 モータ、8 ファン、10 ステンレス製品、11 かご、13 真空ポンプ、14 排ガス処理装置、15,16 ボンベ、17 流量計、18 バルブ、100 処理装置、110 固体高分子電解質膜、120,130 ガス拡散電極、140,150 セパレータ、140A,150A ガス供給溝、160,170 ガスケット、180,190 触媒、200 固体高分子型燃料電池。 1 Muffle furnace, 2 outer shell, 3 heater, 4 inner vessel, 5 gas introduction pipe, 6 exhaust pipe, 7 motor, 8 fan, 10 stainless steel product, 11 cage, 13 vacuum pump, 14 exhaust gas treatment device, 15, 16 cylinder , 17 flow meter, 18 valve, 100 processing device, 110 solid polymer electrolyte membrane, 120, 130 gas diffusion electrode, 140, 150 separator, 140A, 150A gas supply groove, 160, 170 gasket, 180, 190 catalyst, 200 solid Polymer fuel cell.
Claims (2)
オーステナイト系ステンレスを加工する第1の工程と、
前記第1の工程によって加工されたオーステナイト系ステンレスをフッ素ガス雰囲気中で加熱状態で処理する第2の工程と、
前記第2の工程によって処理されたオーステナイト系ステンレスを400〜680℃の温度で浸炭する第3の工程と、
前記第3の工程によって浸炭されたオーステナイト系ステンレスを酸によって洗浄する第4の工程とを備えるセパレータの製造方法。 A method for producing a separator used in a polymer electrolyte fuel cell,
A first step of processing austenitic stainless steel;
A second step of treating the austenitic stainless steel processed by the first step in a heated state in a fluorine gas atmosphere;
A third step of carburizing the austenitic stainless steel treated in the second step at a temperature of 400 to 680 ° C .;
A separator manufacturing method comprising: a fourth step of washing the austenitic stainless steel carburized in the third step with an acid.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010112415A JP2011243327A (en) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010112415A JP2011243327A (en) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2011243327A true JP2011243327A (en) | 2011-12-01 |
Family
ID=45409825
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2010112415A Withdrawn JP2011243327A (en) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2011243327A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018199327A1 (en) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | 株式会社Flosfia | Conductive member, and method for manufacturing same |
KR20220040398A (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-30 | 미진테크 주식회사 | Separator of fuel cell |
KR20220040397A (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-30 | 미진테크 주식회사 | Method for manufactureing separator of fuel cell |
WO2022065818A1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-31 | 미진테크 주식회사 | Fuel cell separator and method for manufacturing same |
-
2010
- 2010-05-14 JP JP2010112415A patent/JP2011243327A/en not_active Withdrawn
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2018199327A1 (en) * | 2017-04-28 | 2018-11-01 | 株式会社Flosfia | Conductive member, and method for manufacturing same |
KR20220040398A (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-30 | 미진테크 주식회사 | Separator of fuel cell |
KR20220040397A (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-30 | 미진테크 주식회사 | Method for manufactureing separator of fuel cell |
WO2022065818A1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-03-31 | 미진테크 주식회사 | Fuel cell separator and method for manufacturing same |
KR102468373B1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-11-18 | 동우에이치에스티 주식회사 | Method for manufactureing separator of fuel cell |
KR102468378B1 (en) * | 2020-09-23 | 2022-11-18 | 동우에이치에스티 주식회사 | Separator of fuel cell |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5529839B2 (en) | Stainless steel member, method for producing the same, separator for use in polymer electrolyte fuel cell, and method for producing the same | |
JP4861168B2 (en) | Fuel cell separator based on austenitic stainless steel | |
RU2521077C2 (en) | Metallic retaining plate for fuel cell with cover film on its surface and method of its production | |
US8815471B2 (en) | Method of manufacturing fuel cell separator, fuel cell separator and fuel cell, including gold plating | |
JP5133466B2 (en) | Fuel cell separator and method for producing the same | |
Wang et al. | The study of electroplating trivalent CrC alloy coatings with different current densities on stainless steel 304 as bipolar plate of proton exchange membrane fuel cells | |
US20120231372A1 (en) | Metallic bipolar plate for fuel cell and method for forming surface layer thereof | |
KR101172163B1 (en) | Metal separator for fuel cell and method for the same | |
JP4488059B2 (en) | Manufacturing method of fuel cell separator | |
CN106086989B (en) | A kind of titania modified by Argentine nanotube composite anode and preparation method thereof | |
JP2011243327A (en) | Manufacturing method of separator and solid polymer fuel cell using separator manufactured by manufacturing method thereof | |
JP2011038166A (en) | Energizing member for fuel cell and method for producing the same | |
JP4933795B2 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell separator | |
JP2016510088A (en) | Corrosion-resistant conductive surface of metal parts for electrolytic cells | |
JPWO2002023654A1 (en) | Low temperature fuel cell separator and method of manufacturing the same | |
JP2004139951A (en) | Separator for fuel cell and its manufacturing method | |
Doan et al. | Study on the effect of IrO2/TiO2 catalyst composition coated on porous transport layer on the performance and durability of polymer electrolyte membrane water electrolysis | |
CN102817033B (en) | Stainless surface alloying | |
JP4928222B2 (en) | Method for manufacturing fuel cell separator, fuel cell separator and fuel cell | |
JP2009087909A (en) | Manufacturing method of separator for fuel cell | |
JP2005002411A (en) | Corrosion-resistant metallic clad material for separator, and manufacturing method therefor | |
JP2002367622A (en) | Separator for low temperature type fuel cell and manufacturing method of the same | |
EP1930464A1 (en) | Transition metal nitride, fuel cell separator, fuel cell stack, fuel cell vehicle, method for producing transition metal nitride, and method for producing fuel cell separator for fuel cells | |
EP3396758B1 (en) | Stainless steel sheet for fuel cell separators and method for producing same | |
KR101372645B1 (en) | Metal separator for fuel cell and method of manufacturing the same |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20130806 |