JP3498077B2 - Solid polymer electrolyte fuel cell separator - Google Patents
Solid polymer electrolyte fuel cell separatorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】 本発明は、燃料電池に使用
するセパレータで、特に、固体高分子電解質型の燃料電
池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】 近年、固体高分子電解質型燃料電池
は、一般に、発電効率が大きく、しかも、SOxやNOxを排
出しない利点を有することから、家庭用や自動車用の小
規模な燃料電池として脚光を浴び、それぞれ定置式発電
や自動車用発電への利用が期待されている。従来、この
種の固体高分子電解質型燃料電池は、簡単に説明する
と、一般的に次のような構造からなっている。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は、その固体
高分子電解質膜が、厚さ５０μm程度であり、その電解
質膜の両面に電極が接合されている。電極は、白金の多
孔質体が基本であるが、カーボンブラックの微粒子に白
金微粒子を付着し、それを少量のテフロン（登録商標）
微粒子などの高分子と混合し、これを炭素繊維紙に薄く
塗布して黒鉛多孔質体と炭素繊維紙の２層構造となって
いる。そして、固体高分子電解質型燃料電池の単一のセ
ルは、この電極の黒鉛多孔質体側を、電解質膜の両面に
重ね、熱圧着して一体化した構造になっており、更に、
その電極の炭素繊維紙側にそれぞれ黒鉛製のセパレータ
を配置して単一のユニットが形成される。そうして、燃
料電池は、通常は、複数のユニットの積層体として使用
される。
【０００４】また、従来、固体高分子電解質型燃料電池
は、電極の両側にそれぞれ燃料ガスと酸化ガスが流れる
ことから、上記セパレータとして、通常、黒鉛に溝加工
を施した溝付セパレータが用いられている。黒鉛製溝付
セパレータは、流路基板として電極の両側を挟んで、そ
の両側に流路を形成し、燃料ガスと酸化ガスとが混合し
ないような構造になっている。そして、この黒鉛製溝付
セパレータは、各セルの仕切りとして、このように燃料
ガスと酸化ガスが混合することを防ぐと共に、各セルで
発生した電流の通路としての役割も担っている。
【０００５】しかし、黒鉛製セパレータは、材質上、壊
れやすいため、特に、自動車用燃料電池に使用する場合
に耐衝撃性に欠けるという問題がある。しかも、黒鉛の
溝加工には、切削加工が必要になるなど、余計に加工費
がかかり、その分だけ燃料電池がコスト高になるという
問題もあった。
【０００６】そこで、従来、このような黒鉛製セパレー
タに代えて、最近、金属製セパレータが提案されてい
る。セパレータが金属製であれば、耐衝撃性に富むこと
は勿論、切削加工を施す必要がなく、プレス加工により
成形が可能であるため、加工費が安くなり、しかも、体
積効率が良好なために、コンパクト化も図れる利点があ
るからである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】 ところで、固体高分
子電解質型燃料電池において、そもそも固体高分子電解
質膜は、テフロン（登録商標）と同じ主鎖を有し、末端
にスルホン基を有する構造をなし、そのスルホン基がイ
オン化し、プロトンがイオン伝導性を示す。このため、
固体高分子電解質膜は、酸性を示し、電極およびセパレ
ータに、酸に対する耐食性が要求される。特に、セパレ
ータとして、耐食性の低い金属材料を使用した場合に
は、溶出した金属イオンが電解質膜と反応し、その膜の
イオン伝導性が損なわれ、発電能力の低下をもたらすこ
とになる。したがって、金属製セパレータには、まず高
耐食性を有することが必要である。
【０００８】次に、そもそもセパレータは、上述のよう
に各セル同士の境界を形成し、燃料ガスと酸化ガスとが
混合するのを防止するだけでなく、各セルで発生した電
流の通路となるものであるから、十分な導電性を有する
ことが必要である。
【０００９】そこで、従来、これら高耐食性および良導
電性の要件を満足する可能性が高い金属製セパレータと
して、ステンレス鋼製セパレータが注目されている。
【００１０】ところが、ステンレス鋼は、確かに、優れ
た耐食性を有することで知られ、その耐食性は、表面に
形成される不動態皮膜により維持されるが、一方で、不
動態皮膜は絶縁性であり、導電性を阻害する。したがっ
て、従来、ステンレス鋼製のセパレータを提供する場合
には、セパレータの機能を確保する観点から、表面の不
動態皮膜により耐食性が担保される一方で、その不動態
皮膜が原因で導電性が阻害される弊害を解消する必要が
あるという課題があった。
【００１１】そこで、本発明の目的は、上述した従来の
課題を解決し、ステンレス鋼製セパレータの中でも、特
に高耐食性および良導電性を併有した固体高分子電解質
型燃料電池用セパレータを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】 本発明者らは、鋭意研
究を重ねた結果、上述した技術的課題を解決する手段と
して、まずは、ステンレス鋼にイオンプレーティングな
どの表面処理を施すことにより、高耐食性および良導電
性を併有した導電性化合物の皮膜を形成する構成を見い
出した。なお、本発明において、単に「皮膜」とは、特
に断らない限り、イオンプレーティング等の表面処理に
よって下地ステンレス鋼表面に形成された被覆層を指
す。
【００１３】また、ステンレス鋼は、不動態皮膜がその
含有成分であるクロム等の水酸化物などを主成分とする
ため、クロムやモリブデンを多く含有するほど、表面の
不動態皮膜により高い耐食性を維持する一方、イオンプ
レーティング等によって形成される皮膜には、不可避的
にピンホール等の欠陥部が発生することが知られてい
る。これら欠陥部は、皮膜形成処理中にゴミ等が付着し
て発生したり、皮膜の粒界に起因して微細な割れが発生
したりすることなど、様々なことが原因で発生するた
め、欠陥部の存在しない皮膜を作製することは不可能で
ある。ピンホール等の欠陥部が存在すると、皮膜自体の
耐食性が如何に優れたものであっても、皮膜のないピン
ホール等から下地の金属イオンが溶出し、それが電解質
膜と反応して電解質膜のイオン伝導性が阻害される結果
となる。そこで、下地のステンレス鋼は、皮膜にピンホ
ール等の欠陥部が発生しても、少なくとも下地の金属イ
オンが溶出しないことが必要であることに着目し、これ
を解決する手段として、下地金属に所要の高耐食性ステ
ンレス鋼を用いることを見い出し、以下のような構成の
本発明を完成するに至った。
【００１４】すなわち、本発明の固体高分子電解質型燃
料電池用セパレータは、質量％で示すと、Ｃ≦０．０
７、Ｃｒ：１９．００〜２１．００、Ｎｉ：３２．００
〜３８．００、Ｍｏ：２．００〜３．００、Ｃｕ：３．
００〜４．００、Ｎｂ：８×Ｃ％〜１０×Ｃ％、残部Ｆ
ｅであるステンレス鋼の表面に、導電性化合物を被覆す
る。このようにステンレス鋼の表面を導電性化合物で被
覆すれば、被覆部分には、皮膜と下地金属の間に不動態
皮膜が存在しないため、良好な導電性が担保される一
方、耐食性についても、被覆部分は、皮膜自身の耐食性
により高い耐食性が担保され、非被覆部分（ピンホール
などの欠陥部のある部分）は、下地である高耐食性ステ
ンレス鋼自体の不動態皮膜により担保される。これによ
って、高耐食性および良導電性を併有した固体高分子電
解質型燃料電池用セパレータが提供され、本発明の目的
が達成される。
【００１５】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用セ
パレータにおいて、前記導電性化合物は、炭化タングス
テンに金属タングステンを分散させたもの又は炭化タン
タルに金属タンタルを分散させたものである。なぜな
ら、これらの皮膜は、耐酸性に優れていると共に、金属
の添加により導電性を付与したものだからである。
【００１６】さらに、本発明において、ステンレス鋼の
表面に導電性化合物の皮膜を形成するときは、耐全面腐
食係数が９０以上の前記高耐食性ステンレス鋼を下地金
属とし、該ステンレス鋼の表面にイオンボンバーリング
を前処理として行い、次いで、イオンプレーティング加
工によって前記導電性化合物をコーティングすることが
好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態につ
いて詳細に説明する。
【００１８】本発明の固体高分子電解質型燃料電池用セ
パレータは、下地金属として高耐食性ステンレス鋼を用
い、そのステンレス鋼の表面に、導電性化合物を被覆し
た構成になっている。
【００１９】すなわち、本発明は、高耐食性ステンレス
鋼の表面に、後述するイオンプレーティングにて表面処
理を施すことにより、高耐食性および良導電性を併有す
る導電性化合物の皮膜を形成する。ここで特に、本発明
における導電性化合物の皮膜は、炭化タングステンに金
属タングステンを分散させたもの又は炭化タンタルに金
属タンタルを分散させたものを被覆したものである。こ
れらの皮膜は、耐酸性は優れていると共に、金属の添加
により導電性を付与しているのである。
【００２０】下地のステンレス鋼に対する皮膜の厚さに
限定はないが、特に耐食性確保の観点から、２〜３μm
以上が望ましい。
【００２１】ここで、本発明に用いる高耐食性ステンレ
ス鋼として、具体的にどのようなステンレス鋼が下地金
属として有効かを検討した結果を述べる。本発明者ら
は、各種成分組成を有するステンレス鋼について、１０
％硫酸および２０％硫酸中８０℃での腐食減量を測定し
た。この結果を、耐全面腐食係数（以下「ＧＩ」とい
う）について整理したところ、図１のようにＧＩと腐食
減量との間には、明らかな相関が認められた。ここにお
いて、ＧＩは、質量％を使用してＧＩ＝［Cr％］＋３．
６［Ni％］＋４．７［Mo％］＋１１．５［Cu％］により
求められる指数である。この関係から、ＧＩが９０以上
であれば、十分な耐食性が得られることが判明した。
【００２２】そこで、本発明は、以上のような検討を重
ねた結果到達されたものであり、ＧＩが９０以上である
ステンレス鋼の表面に導電性化合物を被覆する固体高分
子電解質型燃料電池用セパレータを提供する。より具体
的には、ＧＩが９０以上のステンレス鋼としては、質量
％で示すと、Ｃ≦０．０７、Ｃｒ：１９．００〜２１．
００、Ｎｉ：３２．００〜３８．００、Ｍｏ：２．００
〜３．００、Ｃｕ：３．００〜４．００、Ｎｂ：８×Ｃ
％〜１０×Ｃ％、残部Ｆｅである高耐食性ステンレス鋼
（例えば商用鋼種としてNTK30AC）を選択し、そのステ
ンレス鋼の表面に、前記導電性化合物を被覆して構成し
てなる。
【００２３】ＧＩが９０以上である他のステンレス鋼に
は、例えばJIS鋼種ではSUS317、SUS310S等があり、その
他の商用鋼種としてNTK30A（C≦0.020、Cr：19.00〜21.
00、Ni：28.00〜30.00、Mo：2.00〜3.00、Cu：3.00〜4.
00、Mn：2.50〜3.50）、NTK22A（C≦0.020、Cr：19.00
〜21.00、Ni：21.00〜23.00、Mo：1.75〜2.75、Cu：1.7
5〜2.75、Mn：2.50〜3.50）等がある。しかし、本発明
は、下地の高耐食性ステンレス鋼として、上記に列挙し
た鋼種に限定されるものではない。
【００２４】さて次に、下地の高耐食性ステンレス鋼に
表面処理を施して導電性化合物の皮膜を形成する方法に
ついて説明する。
【００２５】本発明は、上述したＧＩが９０以上の高耐
食性ステンレス鋼を下地金属とし、該ステンレス鋼の表
面に、好ましくはイオンボンバーリングを前処理として
行い、次いで、イオンプレーティング加工によって炭化
タングステンに金属タングステンを分散させたもの又は
炭化タンタルに金属タンタルを分散させた導電性化合物
をコーティングする。
【００２６】イオンプレーティング加工においては、皮
膜密着性の向上を図るために、加工前に、イオンボンバ
ーリング処理を施すことが行われる。イオンボンバーリ
ング処理は、アルゴンイオンなどを加速して被処理物の
表面に衝突させ、表面の不純物や酸化皮膜を除去するこ
とにより表面を清浄とし、引き続き行うコーティング処
理によって形成される皮膜と、下地金属との密着性を向
上させるものである。このイオンボンバーリング処理に
よって、ステンレス鋼の表面に存在する不動態皮膜が予
め除去される。従って、イオンプレーティング処理に先
だって、前処理としてイオンボンバーリングを行うと、
皮膜が形成された被覆部分には、皮膜と下地金属の間に
不動態皮膜は存在せず、その結果、ステンレス鋼自体お
よび皮膜の有する導電性は担保される。なお、耐食性に
ついても、この被覆部分は、皮膜自身の耐食性によって
高い耐食性が担保される。
【００２７】一方、皮膜の形成されていないピンホール
等の欠陥（非被覆部分）は、下地のステンレス鋼が直接
外部に曝されるが、ステンレス鋼の不動態皮膜は、大気
中の水分や酸素と接触することにより自然に形成される
ので、耐食性も担保される。以上の皮膜形成方法によっ
て、高耐食性および良導電性を併有した固体高分子電解
質型燃料電池用セパレータが作製され、本発明の目的が
達成される。
【００２８】皮膜の形成方法としては、本発明の目的を
達成できる方法、即ち、ステンレス鋼の表面に高耐食性
と良導電性を併有する皮膜の形成方法であれば、特に上
記方法に限定されるものではないが、イオンプレーティ
ングは最適な方法のひとつである。また、前処理とし
て、イオンボンバーリングというステンレス鋼の不導態
皮膜を予め除去するステップを含む構成にすることによ
って、より好ましい結果が得られる。
【００２９】
【実施例】次に、以下に示す実施例に基づいて、本発明
を更に詳細かつ具体的に説明するが、本発明は、この実
施例に限定されるものでないことは、勿論である。
【００３０】（１）試料の作製マ
グネトロンスパッタリング装置を用い、ステンレス板
（厚さ０．２ｍｍ、鋼種 NTK30AC ）をイオンボンバーリ
ングの後、タングステンターゲットを使用してアルゴン
とアセチレン混合ガス中で、金属タングステンが炭化タ
ングステン中に分散した皮膜を形成した（以下、「W-DL
C皮膜材」という）。
【００３１】（２）特性の評価
上記の W-DLC皮膜材について、導電性および耐食性の評
価を以下のように行った。
【００３２】導電性は、接触電気抵抗測定器〔（株）山
崎精機研究所製山崎式SQメーター〕により、皮膜の接触
電気抵抗を測定して評価した。試料表面に、黒鉛電極を
接圧２０Kg／cm２で接触させ、１０ｍｍ走査させたとき
の接触電気抵抗を測定した。その結果、 W-DLC皮膜材の
接触電気抵抗は０．５９３Ωであり、これは無垢のステ
ンレス１３４．６６Ωに比較して十分小さく、純金０．
１５８Ωに近い値となっている。
【００３３】耐食性は、８０℃の５％硫酸中に１４８時
間浸漬し、皮膜面の溶出量を測定して評価した。W-DLC
皮膜材の溶出量は０．３８mg/m２/h、と僅かな値であ
る。
【００３４】次に、上記の皮膜形成ステンレス板を用い
て溝状の構造にプレス加工を施した後、単セル燃料電池
にセパレータとして組み入れ、発電試験を行った。高分
子電解質膜と電極を一体化したものを本セパレータで挟
み、両端に酸化ガスおよび水素ガスを供給したところ、
初期電圧０．７Vが得られた。さらに、５００時間連続
運転を行った後も、約０．６７Vの出力が得られた。こ
れは僅か５％の電圧降下に過ぎないものである。
【００３５】
【発明の効果】 上述のように構成した本発明によれ
ば、次のような顕著な効果が得られる。
【００３６】請求項１に記載の発明によれば、固体高分
子電解質型燃料電池用セパレータを、質量％で示すと、
Ｃ≦０．０７、Ｃｒ：１９．００〜２１．００、Ｎｉ：
３２．００〜３８．００、Ｍｏ：２．００〜３．００、
Ｃｕ：３．００〜４．００、Ｎｂ：８×Ｃ％〜１０×Ｃ
％、残部Ｆｅであるステンレス鋼の表面に、炭化タング
ステンに金属タングステンを分散させたもの又は炭化タ
ンタルに金属タンタルを分散させたもののいずれか１種
である導電性化合物を被覆したもので構成することか
ら、被覆部分には、皮膜と下地金属の間に不動態皮膜が
存在しない結果、良好な導電性が担保される一方、耐食
性についても、被覆部分は、皮膜自身の耐食性によって
高い耐食性が担保され、非被覆部分（ピンホールなどの
欠陥部のある部分）は、下地である高耐食性ステンレス
鋼自体の不動態皮膜により担保され、これによって、従
来にない高耐食性および良導電性を併有した固体高分子
電解質型燃料電池用セパレータを提供することができ
る。
【００３７】加えて、そもそもステンレス鋼製セパレー
タであるため、材質上、従来の黒鉛製セパレータのよう
な脆さがなく、耐衝撃性を必要とされる自動車用燃料電
池などにも広く使用することができる。さらに、流路用
の溝加工などのために切削加工を施す必要がなく、プレ
ス加工により簡単に且つ安価に成形することができ、そ
の結果、低コストの燃料電池を提供することができ、し
かも、体積効率が良好なために、コンパクト化も図るこ
とができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator used for a fuel cell, and more particularly to a solid polymer electrolyte type fuel cell separator. 2. Description of the Related Art In recent years, solid polymer electrolyte fuel cells generally have the advantage of high power generation efficiency and no emission of SOx or NOx. The batteries are in the limelight and are expected to be used for stationary power generation and automobile power generation, respectively. Conventionally, this type of solid polymer electrolyte fuel cell generally has the following structure in brief. In a solid polymer electrolyte fuel cell, the solid polymer electrolyte membrane has a thickness of about 50 μm, and electrodes are joined to both sides of the electrolyte membrane. The electrode is basically made of a porous material of platinum, but platinum fine particles are attached to carbon black fine particles, and a small amount of Teflon (registered trademark) is used.
It is mixed with a polymer such as fine particles, and thinly applied to carbon fiber paper to form a two-layer structure of a porous graphite body and carbon fiber paper. The single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell has a structure in which the graphite porous body side of this electrode is overlaid on both sides of the electrolyte membrane and thermocompression-bonded, and further,
A single unit is formed by arranging graphite separators on the carbon fiber paper side of the electrodes. Thus, fuel cells are typically used as a stack of multiple units. Conventionally, in a solid polymer electrolyte fuel cell, since a fuel gas and an oxidizing gas flow on both sides of an electrode, a grooved separator obtained by groove-forming graphite is usually used as the separator. ing. The graphite grooved separator has a structure in which a fuel gas and an oxidizing gas are not mixed with each other as a flow path substrate, with flow paths formed on both sides of the electrode. The graphite grooved separator serves as a partition for each cell, preventing the fuel gas and the oxidizing gas from being mixed as described above, and also serves as a path for a current generated in each cell. However, graphite separators are fragile due to their material, and thus have a problem of lacking impact resistance, particularly when used in automotive fuel cells. In addition, there is a problem that extra processing costs are required, for example, cutting processing is required for processing the graphite grooves, and the cost of the fuel cell increases accordingly. Therefore, a metal separator has recently been proposed in place of such a graphite separator. If the separator is made of metal, it is rich in impact resistance, of course, it does not need to be cut, and it can be formed by pressing, so the processing cost is low and the volume efficiency is good. This is because there is an advantage that the size can be reduced. [0007] In a solid polymer electrolyte fuel cell, a solid polymer electrolyte membrane has the same main chain as Teflon (registered trademark) and a sulfone group at the end. It has a structure, and its sulfone group is ionized, and protons show ion conductivity. For this reason,
The solid polymer electrolyte membrane is acidic, and the electrode and the separator are required to have corrosion resistance to acid. In particular, when a metal material having low corrosion resistance is used as the separator, the eluted metal ions react with the electrolyte membrane, and the ion conductivity of the membrane is impaired, resulting in a decrease in power generation capacity. Therefore, the metal separator must first have high corrosion resistance. Next, the separator not only prevents the fuel gas and the oxidizing gas from being mixed with each other but also forms a passage for the current generated in each cell, as described above. Therefore, it is necessary to have sufficient conductivity. Therefore, conventionally, a stainless steel separator has been attracting attention as a metal separator likely to satisfy the requirements for high corrosion resistance and good conductivity. [0010] However, stainless steel is certainly known for having excellent corrosion resistance, and the corrosion resistance is maintained by the passivation film formed on the surface, while the passivation film is insulative. Yes, impairs conductivity. Therefore, conventionally, when a stainless steel separator is provided, from the viewpoint of securing the function of the separator, the corrosion resistance is ensured by the passivation film on the surface, but the conductivity is impaired due to the passivation film. There is a problem that it is necessary to eliminate the adverse effects. Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems and to provide a separator for a solid polymer electrolyte fuel cell which has particularly high corrosion resistance and good conductivity among stainless steel separators. It is in. Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies and as a result, as a means for solving the above-mentioned technical problems, first, a stainless steel is subjected to a surface treatment such as ion plating. As a result, the inventors have found a configuration for forming a film of a conductive compound having both high corrosion resistance and good conductivity. In the present invention, the term “film” simply refers to a coating layer formed on the surface of the underlying stainless steel by a surface treatment such as ion plating, unless otherwise specified. [0013] In addition, since the passivation film of stainless steel is mainly composed of a hydroxide such as chromium, which is a component contained therein, the higher the content of chromium or molybdenum, the higher the corrosion resistance of the passivation film on the surface. On the other hand, it is known that a defect such as a pinhole is inevitably generated in a film formed by ion plating or the like while maintaining. These defects are caused by various factors, such as the generation of dust and the like during the film formation process and the generation of fine cracks due to the grain boundaries of the film. It is impossible to produce a coating free of parts. If there is a defect such as a pinhole, even if the coating itself has excellent corrosion resistance, the underlying metal ions are eluted from the pinhole or the like without the coating and react with the electrolyte membrane to react with the electrolyte membrane. Results in the inhibition of the ionic conductivity. Therefore, the base stainless steel focuses on the fact that it is necessary that at least the base metal ions do not elute even if a defect such as a pinhole occurs in the coating. It has been found that the required high corrosion-resistant stainless steel is used, and the present invention having the following configuration has been completed. That is, the separator for a solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention, when expressed by mass%, has C ≦ 0.0
7, Cr: 19.0 to 21.00, Ni: 32.00
To 38.00, Mo: 2.00 to 3.00, Cu: 3.0.
00 to 4.00, Nb: 8 × C% to 10 × C%, balance F
e) A conductive compound is coated on the surface of stainless steel. If the surface of the stainless steel is coated with a conductive compound in this manner, the coated portion does not have a passivation film between the film and the underlying metal, so that good conductivity is ensured. High corrosion resistance is ensured by the coating itself due to the corrosion resistance of the coating itself, and uncoated parts (portions having defects such as pinholes) are ensured by the passive film of the high corrosion-resistant stainless steel itself, which is the base. Thus, a solid polymer electrolyte fuel cell separator having both high corrosion resistance and good conductivity is provided, and the object of the present invention is achieved. [0015] In the solid polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention, the conductive compound is Ru der that those or tantalum carbide is dispersed metallic tungsten carbonitride tungsten is dispersed metallic tantalum. Na ze Do <br/> et al, these coatings, with has excellent acid resistance, is because those having conductivity by addition of a metal. Further, in the present invention, when a conductive compound film is formed on the surface of stainless steel, the high corrosion-resistant stainless steel having an overall corrosion resistance of 90 or more is used as a base metal, and the surface of the stainless steel is It is preferable to perform bombering as a pretreatment and then coat the conductive compound by ion plating. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The separator for a polymer electrolyte fuel cell of the present invention has a structure in which a highly corrosion-resistant stainless steel is used as a base metal, and the surface of the stainless steel is coated with a conductive compound. [0019] Namely, the present invention is, on the surface of high corrosion resistance stainless steel, by subjecting to a surface treatment by ion plating to be described later, that form a coating of conductive compound having both a high corrosion resistance and good conductivity. Especially in here, coating of the conductive compound in the present invention is obtained by coating those metal tantalum was dispersed in one or tantalum carbide metal tungsten is dispersed in tungsten carbide. These films are excellent in acid resistance and impart conductivity by addition of a metal. The thickness of the coating on the underlying stainless steel is not limited, but from the viewpoint of ensuring corrosion resistance, it is preferably 2 to 3 μm.
The above is desirable. Here, the results of examining specifically what kind of stainless steel is effective as a base metal as the high corrosion resistant stainless steel used in the present invention will be described. The present inventors have reported that stainless steels having various component compositions
Corrosion weight loss at 80 ° C. in 20% sulfuric acid and 20% sulfuric acid was measured. The results were summarized for the overall corrosion resistance (hereinafter referred to as "GI"). As shown in FIG. 1, a clear correlation was observed between GI and corrosion weight loss. Here, GI is expressed by mass% using GI = [Cr%] + 3.
6 [Ni%] + 4.7 [Mo%] + 11.5 [Cu%]. From this relationship, it was found that when the GI was 90 or more, sufficient corrosion resistance was obtained. Accordingly, the present invention has been accomplished as a result of repeated studies as described above, and is intended for a solid polymer electrolyte fuel cell in which a conductive compound is coated on the surface of stainless steel having a GI of 90 or more. Provide a separator. More specifically, as a stainless steel having a GI of 90 or more, in terms of mass%, C ≦ 0.07, Cr: 19.0 to 21.
00, Ni: 32.00 to 38.00, Mo: 2.00
3.00, Cu: 3.00 to 4.00, Nb: 8 × C
% To 10 × C%, with the balance being Fe, a high corrosion resistant stainless steel (for example, NTK30AC as a commercial steel type) is selected, and the surface of the stainless steel is coated with the conductive compound. Other stainless steels having a GI of 90 or more include, for example, SUS317 and SUS310S in JIS steel types, and NTK30A (C ≦ 0.020, Cr: 19.00 to 21.
00, Ni: 28.00 to 30.00, Mo: 2.00 to 3.00, Cu: 3.00 to 4.
00, Mn: 2.50-3.50), NTK22A (C ≦ 0.020, Cr: 19.00)
~ 21.00, Ni: 21.00 ~ 23.00, Mo: 1.75 ~ 2.75, Cu: 1.7
5 to 2.75, Mn: 2.50 to 3.50). However, the present invention is not limited to the steel types listed above as the base high corrosion-resistant stainless steel. Next, a method of forming a film of a conductive compound by subjecting the underlying high corrosion resistant stainless steel to a surface treatment will be described. According to the present invention, the above-mentioned high corrosion-resistant stainless steel having a GI of 90 or more is used as a base metal, and the surface of the stainless steel is preferably subjected to ion bombering as a pretreatment, and then carbonized by ion plating.
Tungsten with metallic tungsten dispersed or
A conductive compound in which metal tantalum is dispersed in tantalum carbide is coated. In the ion plating process, an ion bombering process is performed before the process in order to improve film adhesion. In the ion bombing process, argon ions are accelerated to collide with the surface of the workpiece to remove impurities and oxide films on the surface, thereby cleaning the surface. This is to improve the adhesion to metal. The passivation film existing on the surface of the stainless steel is removed in advance by this ion bombering treatment. Therefore, prior to ion plating, if ion bombing is performed as pretreatment,
The passivation film does not exist between the film and the base metal in the coated portion where the film is formed, and as a result, the conductivity of the stainless steel itself and the film is ensured. With respect to the corrosion resistance, high corrosion resistance is ensured in the coated portion by the corrosion resistance of the film itself. On the other hand, defects (uncovered portions) such as pinholes on which no film is formed are exposed directly to the underlying stainless steel, while a passive film of stainless steel is exposed to moisture and oxygen in the atmosphere. Since it is formed naturally by contact with the metal, corrosion resistance is also ensured. By the film forming method described above, a solid polymer electrolyte fuel cell separator having both high corrosion resistance and good conductivity is produced, and the object of the present invention is achieved. The method for forming the film is not particularly limited as long as the object of the present invention can be achieved, that is, a method for forming a film having both high corrosion resistance and good conductivity on the surface of stainless steel. Although not critical, ion plating is one of the best methods. Further, a more preferable result can be obtained by adopting a configuration including a step of previously removing a passivation film of stainless steel called an ion bomber ring as a pretreatment. Next, the present invention will be described in more detail and specifically with reference to the following examples. However, it is needless to say that the present invention is not limited to these examples. is there. [0030] (1) have use a prepared Ma grayed magnetron sputtering apparatus of the sample, stainless plate
After ion bombing (0.2 mm thick, steel type NTK30AC ) , a film in which metal tungsten was dispersed in tungsten carbide was formed in a mixed gas of argon and acetylene using a tungsten target (hereinafter, “W- DL
C film material ”). [0031] (2) Evaluation of W-DLC film material properties, conductivity and the evaluation of corrosion resistance was performed as follows. The conductivity was evaluated by measuring the contact electric resistance of the film with a contact electric resistance measuring instrument [Yamazaki-type SQ meter manufactured by Yamazaki Seiki Laboratory Co., Ltd.]. A graphite electrode was brought into contact with the surface of the sample at a contact pressure of 20 kg / cm 2 , and the contact electric resistance when scanning 10 mm was measured. As a result, the W-DLC film material
Contact electrical resistance is 0.593Omu, This is sufficiently small compared to the solid stainless 134.66Omu, pure gold 0.
The value is close to 158Ω. The corrosion resistance was evaluated by immersing it in 5% sulfuric acid at 80 ° C. for 148 hours, and measuring the elution amount on the film surface. W-DLC
The elution amount of the coating material is a small value of 0.38 mg / m 2 / h. Next, after subjected to press working into a groove-like structure with a film-forming stainless steel plate of the upper SL, incorporated as a separator in a single cell fuel cell, a power generation test was performed. When the polymer electrolyte membrane and the integrated electrode were sandwiched by this separator and oxidizing gas and hydrogen gas were supplied to both ends,
An initial voltage of 0.7 V was obtained. Furthermore, an output of about 0.67 V was obtained even after continuous operation for 500 hours. This is only a 5% voltage drop. According to the present invention configured as described above, the following remarkable effects can be obtained. According to the first aspect of the present invention, when the separator for a solid polymer electrolyte fuel cell is represented by mass%,
C ≦ 0.07, Cr: 19.0 to 21.00, Ni:
32.00 to 38.00, Mo: 2.00 to 3.00,
Cu: 3.00 to 4.00, Nb: 8 × C% to 10 × C
%, The surface of which is made of stainless steel having a balance of Fe and coated with a conductive compound that is one of tungsten carbide dispersed with tungsten metal or tantalum carbide dispersed with tantalum metal. Therefore, in the coated part, as a result of the absence of the passivation film between the film and the underlying metal, good conductivity is ensured, and also with respect to corrosion resistance, the coated part is assured of high corrosion resistance by the corrosion resistance of the film itself. The uncoated portion (the portion with a defective portion such as a pinhole) is secured by the passivation film of the highly corrosion-resistant stainless steel itself, which is a solid material having unprecedented high corrosion resistance and good conductivity. A polymer electrolyte fuel cell separator can be provided. In addition, since it is a stainless steel separator in the first place, it is not widely used as a conventional graphite separator, and is widely used in fuel cells for automobiles that require impact resistance. Can be. Further, it is not necessary to perform a cutting process for forming a groove for a flow path, and it can be formed easily and inexpensively by press working. As a result, a low-cost fuel cell can be provided. Since the volume efficiency is good, the size can be reduced.
【図面の簡単な説明】
【図１】 各種成分組成を有したステンレス鋼における
所定条件下の耐全面腐食係数と腐食減量との関係を示す
図表である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a table showing the relationship between the overall corrosion resistance and the weight loss of stainless steel having various component compositions under predetermined conditions.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平11−126622（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−162478（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−19327（ＪＰ，Ａ) 特開2000−353531（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02,8/10 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-11-126622 (JP, A) JP-A-11-162478 (JP, A) JP-A-59-19327 (JP, A) JP-A-2000-353531 (JP, A) (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8/02, 8/10
Claims (1)
１９．００〜２１．００、Ｎｉ：３２．００〜３８．０
０、Ｍｏ：２．００〜３．００、Ｃｕ：３．００〜４．
００、Ｎｂ：８×Ｃ％〜１０×Ｃ％、残部Ｆｅであるス
テンレス鋼の表面に、炭化タングステンに金属タングス
テンを分散させたもの又は炭化タンタルに金属タンタル
を分散させたもののいずれか１種である導電性化合物を
被覆してなることを特徴とする、固体高分子電解質型燃
料電池用セパレータ。(57) [Claims] [Claim 1] In terms of mass%, C ≦ 0.07, Cr:
19.0 to 21.00, Ni: 32.00 to 38.0
0, Mo: 2.00 to 3.00, Cu: 3.00 to 4.0.
00, Nb: 8 × C% to 10 × C%, with the balance being one of stainless steel in which metal tungsten is dispersed in tungsten carbide or tantalum carbide in which metal tantalum is dispersed on the surface of stainless steel. A separator for a solid polymer electrolyte fuel cell, characterized by being coated with a conductive compound.
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