JP4566864B2 - Separator for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、固体高分子型燃料電池に用いる金属製セパレータ及びその製造方法に関する
。
The present invention relates to a metallic separator used for a polymer electrolyte fuel cell and a method for producing the same.
固体高分子型燃料電池は固体高分子電解質膜を利用するものであり、低温動作及び小型
化が可能であり、種々の用途への検討がなされている。固体高分子型燃料電池は、高分子
固体電解質膜を一対の電極層により挟んで単電池を形成するとともに、該電極層の表面に
水素ガス等の燃料ガス又は酸素ガスや空気等の酸化剤ガスの拡散層を形成するためのセパ
レータを積層配置するのが一般的である。
The polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte membrane, and can be operated at a low temperature and reduced in size, and has been studied for various applications. A polymer electrolyte fuel cell forms a single cell by sandwiching a polymer solid electrolyte membrane between a pair of electrode layers, and a fuel gas such as hydrogen gas or an oxidant gas such as oxygen gas or air on the surface of the electrode layer. In general, separators for forming the diffusion layer are laminated.
図1に、固体高分子型燃料電池の基本構造の一例を示す。図1に例示する固体高分子型
燃料電池は単電池セル(4)の両側にセパレータ(5a、5b)が配置され、片側のセパ
レータには、電池温度を制御するための水冷板(6)が一体化された基本構造を有する。
単電池セルは、厚さ0.1〜0.2mmの電解質膜(2)の両面に電極(1、3)を接合
したものである。電解質としては、一般にNAFION(登録商標)に代表されるフッ素系電解
質膜が用いられている。そして、図1に示す基本構造を積層化して、電極とセパレータを
接触させることにより、固体高分子型燃料電池が構成される。
FIG. 1 shows an example of the basic structure of a polymer electrolyte fuel cell. In the polymer electrolyte fuel cell illustrated in FIG. 1, separators (5a, 5b) are disposed on both sides of a unit cell (4), and a water cooling plate (6) for controlling the battery temperature is provided on one side of the separator. It has an integrated basic structure.
The single battery cell is obtained by bonding electrodes (1, 3) to both surfaces of an electrolyte membrane (2) having a thickness of 0.1 to 0.2 mm. As the electrolyte, a fluorine-based electrolyte membrane represented by NAFION (registered trademark) is generally used. Then, the basic structure shown in FIG. 1 is laminated, and an electrode and a separator are brought into contact with each other to constitute a solid polymer fuel cell.
固体高分子型燃料電池のセパレータには、上記のように電池を積層化する機能に加え、
反応ガスを電極に効率よく供給し、なおかつ効率的に電解質膜を加湿と除湿する機能が必
要である。
In addition to the function of stacking the batteries as described above, the separator of the polymer electrolyte fuel cell,
A function for efficiently supplying the reaction gas to the electrode and efficiently humidifying and dehumidifying the electrolyte membrane is required.
従来、固体高分子型燃料電池に用いるセパレータとしては、炭素材料、又は金属材料が
用いられている。しかし、炭素材料のセパレータは、熱硬化性樹脂とカーボン粉末を混合
して焼成した後、水素ガス及び酸素ガスの通路を形成するための微細加工を施したものが
主に使用されていたが、カーボン製のセパレータは製造コストが高い、電気抵抗が高い、
強度が弱く脆いために薄肉化ができずに燃料電池を小型化することができないなど種々の
問題を抱えていた。
Conventionally, a carbon material or a metal material is used as a separator used in a polymer electrolyte fuel cell. However, carbon material separators were mainly used after mixing and baking a thermosetting resin and carbon powder and then performing fine processing to form hydrogen gas and oxygen gas passages. Carbon separators are expensive to manufacture, have high electrical resistance,
Since the strength is weak and fragile, the fuel cell cannot be reduced in thickness and the fuel cell cannot be downsized.
他方、金属材料としては、薄い金属板をプレス加工して両面にガス供給溝をつける方法
が試みられている。しかし、プレス加工による残留応力により全体的にそりやうねりが生
じ、燃料電池の長期運転が困難であるという問題がある。さらに、セパレータから微量溶
出する金属イオンが電解質膜を汚染して水素イオン伝導率が著しく低下する問題も有して
いた。また、ステンレス鋼板に金めっき処理したものや、鉄、銅などの表面に耐食性の高
い特殊金属を形成したクラッド板などが提案されているがコストが高くなるため実用化す
ることができない。
On the other hand, as a metal material, a method of pressing a thin metal plate and providing gas supply grooves on both sides has been tried. However, there is a problem that warpage and undulation occur as a whole due to the residual stress due to press working, making it difficult to operate the fuel cell for a long time. In addition, metal ions eluted in a minute amount from the separator contaminate the electrolyte membrane, and the hydrogen ion conductivity has been significantly reduced. In addition, a stainless steel plate plated with gold or a clad plate formed with a special metal having high corrosion resistance on the surface of iron, copper or the like has been proposed, but cannot be put into practical use because of its high cost.
セパレータに必要な特性として、耐食性、酸化還元雰囲気における安定性、電子伝導性
、気密性、機械的強度、低コストであることが挙げられる。これらの問題を解決する手段
として、耐食性に優れ加工性に優れたNi基アモルファス金属材料からなる燃料電池用セパ
レータがある(特許文献1、2)。
Properties required for the separator include corrosion resistance, stability in a redox atmosphere, electron conductivity, airtightness, mechanical strength, and low cost. As means for solving these problems, there is a fuel cell separator made of a Ni-based amorphous metal material having excellent corrosion resistance and excellent workability (Patent Documents 1 and 2).
本発明者等はこれまでに、「過冷却液体領域を有するアモルファス金属」と定義される
「金属ガラス」を多種類開発してきたが、特許文献2に例示されるNi基アモルファス合金
もその一つであり、高強度・高耐食性を有している(特許文献3)。本発明者等は、特許
文献2に開示されているNi基金属ガラス板材から燃料電池用セパレータの作製を試みたと
ころ、元の材料となるNi基金属ガラスは薄板状では耐食性が高いことが確認できたが、開
示されている方法に従い燃料電池用セパレータを作製して、濃硫酸中で耐食性試験を行な
ったところ孔食が一部で確認され、セパレータとして使用するに当たっては信頼性に欠け
ることが判明した。孔食が生じた原因は不明であるが、プレス前の板材に微小な結晶が微
量ある場合に、その部分より孔食が進むものと考えられた。
The present inventors have so far developed many kinds of “metallic glass” defined as “amorphous metal having a supercooled liquid region”, and the Ni-based amorphous alloy exemplified in
このような微小な結晶を皆無にするためには、Ni基金属ガラス板材の作製時において溶
湯から固化までの鋳造材の冷却速度を向上させた方法、すなわち厚みが薄い板材を作製す
ることが必要になる。特許文献2(特開2004−273314号公報)記載の発明を改
良した発明として、薄い金属ガラス板材を積層して燃料電池用セパレータを作製する方法
がある(特許文献4)。特許文献4には、「従来、急冷法による直接製造が困難であった
厚板状のアモルファス金属部材(具体的には、厚さ0.05mm以上、特に0.1mm以
上)も容易に製造できるようになる。」と記載されている通りに、結晶等を一切含まない
0.05mm以上の厚さの金属ガラス板材を直接鋳造することは困難であったのである。
金属ガラスは、その溶湯を金型内に充填し過冷却液体状態に保持して所定の形状に成形で
きる(特許文献5)。このような手段を用いてセパレータ状のモールドキャビティを有す
るモールドに金属ガラス溶湯を注入してセパレータを製造する方法が知られている(特許
文献6)が、この方法はプレス法に比べて面積の大きい形状の部材の作製が難しい。
In order to eliminate such fine crystals, it is necessary to improve the cooling rate of the cast material from molten metal to solidification, that is, to produce a thin plate material when producing a Ni-based metallic glass plate material. become. As an invention obtained by improving the invention described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-273314), there is a method of manufacturing a separator for a fuel cell by laminating thin metal glass plates (Patent Document 4).
The metallic glass can be molded into a predetermined shape by filling the molten metal in a mold and maintaining the supercooled liquid state (Patent Document 5). A method of manufacturing a separator by injecting a molten metal glass into a mold having a separator-shaped mold cavity using such means (Patent Document 6) is known, but this method has a larger area than the press method. It is difficult to produce a large-shaped member.
アモルファス金属の耐食性を向上させる方法としては、CrやNb等の耐食性を向上させる
元素を添加することによる方法が種々開示されているが、その他の方法として、酸化物を
表面に析出させる方法が、知られている(特許文献7)。しかし、本発明者等は、この特
許文献7の開示に従い耐食性非晶質合金を製作したところ、表面の抵抗が高いために燃料
電池用セパレータとして用いることはできなかった。
As a method for improving the corrosion resistance of the amorphous metal, various methods by adding elements that improve the corrosion resistance such as Cr and Nb are disclosed, but as another method, a method of depositing an oxide on the surface, Known (Patent Document 7). However, when the present inventors manufactured a corrosion-resistant amorphous alloy according to the disclosure of
そこで、本発明は、高強度、高耐食性、優れた超塑性、低コストで優れた性能を兼備す
る燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell separator having high strength, high corrosion resistance, excellent superplasticity, low cost and excellent performance, and a method for manufacturing the same.
本発明者等は、金属ガラスの研究過程において、ある特定の金属ガラスが耐食性に優れ
ていることや、過冷却液体温度域による超塑性が出現することにより容易な加工が可能で
あることをこれまで見出してきた。さらに、本発明者等は、固体高分子型燃料電池のセパ
レータとして必要な特性を具備する金属ガラスを鋭意検討した結果、耐食性に優れ、かつ
過冷却液体温度域における超塑性加工が可能で、長時間安定した高い導電性を有する金属
ガラス板材を用いた高耐食性セパレータとその製造方法を見出し、本発明を完成するに至
った。
In the process of studying metallic glass, the present inventors have shown that a certain metallic glass is excellent in corrosion resistance and that it can be easily processed due to the appearance of superplasticity in the supercooled liquid temperature range. I have found up to. Furthermore, as a result of intensive studies on metallic glass having the characteristics required as a separator for polymer electrolyte fuel cells, the present inventors have excellent corrosion resistance and can be superplastically processed in the supercooled liquid temperature range. The present inventors have found a highly corrosion-resistant separator using a metal glass plate material having high conductivity that is stable over time and a method for producing the same, and have completed the present invention.
すなわち、本発明は、下記の(1)〜(3)の固体高分子型燃料電池セパレータ及び(4
)、(5)の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法である。
(1)セパレータの材料が、組成式(Ni1-xZrx)aNbbTic(60原子%≦a≦7
0原子%、5原子%≦b≦20原子%、15原子%≦c≦30原子%、0≦x≦0.17)
で表される組成からなり、厚さが0.02〜0.5mmの金属ガラス板材からなるととも
に、その表面に、該金属ガラス板材を酸素及び/又は窒素含有雰囲気中で加熱処理して形
成された、金属ガラス板材中の成分元素の酸化物及び/又は窒化物からなる厚さが0.0
03〜0.1μmの耐食性膜を有し、金属ガラス板材の一部がガス流路となるように過冷
却液体領域におけるプレス成形により凹凸形状を設けてあることを特徴とする固体高分子
型燃料電池用セパレータ。
That is, the present invention provides the following polymer electrolyte fuel cell separators (1) to (3) and (4
), (5) a method for producing a polymer electrolyte fuel cell separator .
(1) The material of the separator is a composition formula (Ni 1-x Zr x ) a Nb b Ti c (60 atomic% ≦ a ≦ 7
0 atom%, 5 atom% ≦ b ≦ 20 atom%, 15 atom% ≦ c ≦ 30 atom%, 0 ≦ x ≦ 0.17)
And a metal glass plate having a thickness of 0.02 to 0.5 mm, and the surface of the metal glass plate is heat-treated in an atmosphere containing oxygen and / or nitrogen.
The formed thickness of the oxide and / or nitride of the component elements in the metallic glass plate is 0.0
A solid polymer fuel having a corrosion resistant film of 03 to 0.1 [mu] m and having a concavo-convex shape formed by press molding in a supercooled liquid region so that a part of a metal glass plate becomes a gas flow path Battery separator.
(2)厚さが0.04〜0.1mmの金属ガラス板材からなることを特徴とする上記(1
)の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
(2) the thickness and wherein Rukoto such a metallic glass sheet material 0.04~0.1Mm (1
) Solid polymer fuel cell separator.
(3)該膜が形成された表面の色彩がJIS Z8729に規定される三属性による色の表示によ
り明度V>8及び彩度C<3であることを特徴とする上記(1)又は(2)の固体高分子型
燃料電池セパレータ。
(3) The above-mentioned (1) or (2), wherein the color of the surface on which the film is formed is lightness V> 8 and saturation C <3 by color display by three attributes defined in JIS Z8729 ) Solid polymer fuel cell separator.
(4)組成式(Ni1-xZrx)aNbbTic(60原子%≦a≦70原子%、5原子%≦b
≦20原子%、15原子%≦c≦30原子%、0≦x≦0.17)で表される組成からな
り、厚さが0.02〜0.5mmの金属ガラス板材11を作製し、該金属ガラス板材11を周
囲の雰囲気を制御可能としたプレスチャンバーP内でガラス遷移温度〜結晶化温度の過冷
却液体領域に加熱した状態で凹凸形状17を有するプレス用金型15a,15bでプレス加工して
、ガス流路となる凹凸形状を該金属ガラス板材11に形成し、次いで、凹凸形状を形成した
表面に金属ガラス板材中の成分元素の酸化物及び/又は窒化物の厚さが0.003〜0.
1μmの耐食性膜を形成することを特徴とする上記(1)、(2)又は(3)の固体高分
子型燃料電池用セパレータの製造方法。
(5)ガス流路となる凹凸形状17を該金属ガラス板材11に形成し、次いでプレス用金型15
a,15bを離間させた後に、金属ガラス板材11が400℃以下になるまで冷却を行い、次に
空気をプレスチャンバーP内に導入して該膜を形成することを特徴とする上記(4)の固
体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。
(4) Composition formula (Ni 1-x Zr x ) a Nb b Ti c (60 atomic% ≦ a ≦ 70 atomic%, 5 atomic% ≦ b
≦ 20 atomic%, 15 atomic% ≦ c ≦ 30 atomic%, 0 ≦ x ≦ 0.17), and a
In the press chamber P in which the atmosphere of the enclosure can be controlled, it is pressed with the press dies 15a and 15b having the concavo-
, An uneven shape which is gas flow path formed in the
A method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell according to (1), (2) or (3), wherein a 1 μm corrosion-resistant film is formed.
(5) An
After separating a and 15b, the metal
The method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell according to the above (4), wherein the film is formed by introducing air into the press chamber P.
本発明(1)〜(3)の固体高分子型燃料電池用セパレータを構成する金属ガラス板材は
、組成式(Ni1-xZrx)aNbbTic (60原子%≦a≦70原子%、5原子%≦b≦
20原子%、15原子%≦c≦30原子%、0≦x≦0.17)で表される組成の合金か
らなる。
The metallic glass plate material constituting the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention (1) to (3) has a composition formula (Ni 1-x Zr x ) a Nb b Ti c (60 atom% ≦ a ≦ 70 atom) %, 5 atomic% ≤ b ≤
20 atomic%, 15 atomic% ≦ c ≦ 30 atomic%, 0 ≦ x ≦ 0.17) alloy or <br/> Ranaru composition represented.
Niが60原子%以上70原子%以下の範囲である組成、又はNi及びZrの含有量の合計が
60原子%以上70原子%以下であり、Zr/(Ni+Zr)の比が0.17以下の範囲でNiの一部
をZrで置換した組成である必要がある。Zr及びNiの含有量がこれらの範囲から逸脱してい
ると、耐食性が低く、燃料電池の運転中に構成元素が溶出してしまう。また、Ni及びZrの
含有量はNiが62以上68原子%以下の範囲である組成又はNiが58原子%以上62原子
%以下かつZrが8原子%以上12原子%以下である組成が望ましい。
The composition is such that Ni is in the range of 60 atomic% to 70 atomic%, or the total content of Ni and Zr is 60 atomic% to 70 atomic%, and the ratio of Zr / (Ni + Zr) is 0.17 The composition needs to be a composition in which a part of Ni is substituted with Zr in the following range. If the contents of Zr and Ni deviate from these ranges, the corrosion resistance is low, and the constituent elements are eluted during operation of the fuel cell. The content of Ni and Zr is preferably a composition in which Ni is in the range of 62 to 68 atomic% or a composition in which Ni is 58 to 62 atomic% and Zr is 8 to 12 atomic%.
また、Nbは本発明(1)〜(3)の固体高分子型燃料電池用セパレータを構成する金属ガ
ラスの耐食性を高める元素であり、5原子%以上20原子%以下含有されている必要があ
り、好ましくは5原子%以上15原子%以下である。さらに、Tiは本発明のセパレータを
構成する金属ガラス板材のガラス形成能を高める元素であり、15原子%以上30原子%
以下含有している必要がある。
Moreover, Nb is an element which improves the corrosion resistance of the metallic glass constituting the solid polymer fuel cell separator of the present invention (1) to (3) , and must be contained in an amount of 5 atomic% to 20 atomic%. Preferably, it is 5 atomic% or more and 15 atomic% or less. Further, Ti is an element that enhances the glass forming ability of the metallic glass plate constituting the separator of the present invention, and is 15 atomic% or more and 30 atomic%.
It is necessary to contain the following.
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータにおいては、上記金属ガラス板材の板厚は0
.02mm以上0.5mm以下でなければならず、好ましくは0.03mm以上0.2m
m以下であり、さらに好ましくは0.04mm以上0.1mm以下である。0.02mm
未満であると金属ガラス板材を製造した際にピンホールを生じやすく実用に供することが
できない。また、0.5mmを越えると金属ガラス板材を製造するときに冷却速度が低く
なるために結晶を含有する場合が多くなり脆くなる傾向にあるとともに、燃料電池用セパ
レータとして用いた場合、結晶を含む部分から孔食と同様な腐食が進行してしまうために
燃料電池用セパレータとして供することが困難になる。
In the solid polymer fuel cell separator of the present invention , the thickness of the metal glass plate is 0.
. Must be 02 mm or more and 0.5 mm or less, preferably 0.03 mm or more and 0.2 m
m or less, more preferably 0.04 mm or more and 0.1 mm or less. 0.02mm
If it is less than the range, pinholes are likely to be produced when the metal glass plate material is produced, and cannot be put to practical use. In addition, if the thickness exceeds 0.5 mm, the cooling rate is low when producing a metal glass plate material , so that there are many cases where crystals are contained and tend to be brittle, and when used as a fuel cell separator, crystals are included. Since corrosion similar to pitting progresses from the portion, it becomes difficult to provide a separator for a fuel cell.
また、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、その表面に金属ガラス板材中の成
分元素の酸化物及び/又は窒化物からなる膜を有することを特徴としている。膜は基板と
なる金属ガラス板材に強固に付着している必要がある。膜の密着性については、セパレー
タ形状では評価が困難であるが、ワイプ等での拭取りや超音波洗浄において剥離するよう
な膜であってはならない。膜の成形条件は、金属ガラス板材に膜を形成し、3点曲げ試験
により表面の最大歪みが1%以上でも亀裂が生じない膜の成形条件で成膜したものでなけ
ればならない。
In addition, the solid polymer fuel cell separator of the present invention is characterized in that it has a film made of oxides and / or nitrides of component elements in the metallic glass plate material on its surface. The film needs to be firmly attached to the metal glass plate material serving as the substrate. The adhesion of the film is difficult to evaluate in the shape of the separator, but it should not be a film that peels off by wiping with a wipe or ultrasonic cleaning. The molding conditions of the membrane film is formed on the metal glass plate material, the maximum strain of the surface by the three-point bending test shall crack even 1% or more was formed by molding conditions of the membrane does not occur.
さらに、本発明の燃料電池用セパレータは、その形状として、金属ガラス板材の一部がガ
ス流路となるように凹凸形状を設けてあることを特徴としている。ガスがスムーズに流れ
るように種々の形状を用いることができる。好ましい形状は、深さ0.5mm以上1mm
以下の凹凸を有する形状であり、集電性やガスの流れに応じて種々の凹凸形状を取り得る
。
Furthermore, the fuel cell separator of the present invention, the shape of that part of the metal glass plate material is characterized in that is provided with irregularities so that the gas flow path. Various shapes can be used so that the gas flows smoothly. The preferred shape is 0.5mm to 1mm deep
It is a shape having the following unevenness, and can have various uneven shapes depending on current collection and gas flow.
本発明(1)は、上記の金属ガラス板材の組成、金属ガラス板材の厚さ及び表面に酸化物
及び/又は窒化物を有することに加えて、酸化物及び/又は窒化物の膜の厚さを規定する
ものである。酸化物及び/又は窒化物の膜の厚さは0.003〜0.1μmであり、好ま
しくは.004〜0.05μm、より好ましくは0.005〜0.02μmである。この
範囲内であれば内部抵抗を変化させずに耐食性も向上させることができる。酸化物及び/
又は窒化物の膜の厚さが0.1μmを超えると、膜の電気抵抗が高くなるため燃料電池用
セパレータとして用いた場合、大きな電流で発電することができなくなる問題を生じる。
また、酸化物の厚さが0.003μm未満であると、膜を形成していない金属ガラス板材
と比べて顕著な耐食性の向上が見られず、微量の結晶等が金属ガラス板材中に生じていた
場合には孔食と同様な腐食を生じ燃料電池用セパレータとして供することができない。
This onset bright (1) the composition of the metal glass plate, in addition to an oxide and / or nitride to a thickness and surface of the metallic glass plate, the thickness of the film of the oxide and / or nitride It prescribes. The thickness of the oxide and / or nitride film is 0.003 to 0.1 μm, preferably. The thickness is 004 to 0.05 μm, more preferably 0.005 to 0.02 μm. Within this range, the corrosion resistance can be improved without changing the internal resistance. Oxides and / or
Alternatively, when the thickness of the nitride film exceeds 0.1 μm, the electric resistance of the film increases, so that when used as a fuel cell separator, there is a problem that power generation cannot be performed with a large current.
In addition, when the oxide thickness is less than 0.003 μm, a significant improvement in corrosion resistance is not seen as compared with a metal glass plate material not forming a film, and a very small amount of crystals or the like are generated in the metal glass plate material. In such a case, corrosion similar to pitting corrosion occurs and cannot be used as a fuel cell separator.
酸化物及び/又は窒化物の膜厚の測定は種々の方法を用いることができるが、超音波に
よる方法が望ましい。また、本発明のセパレータに用いるNiを主成分とする金属ガラス板
材の場合、酸化物及び/又は窒化物の所定の膜厚は薄青色の着色が見られることで判断で
きる。黒色の着色が見られた場合、膜厚は0.1μmを越えており、本発明のセパレータ
に好適な膜厚ではない。急速凝固したままの状態の金属ガラス板材では酸化膜は形成され
ない。また、金属ガラス板材を空気中でプレス成形を行なっただけの場合や金属ガラス板
材に十分に酸化膜を生成させた後にプレス成形を行なった場合は、酸化膜に亀裂が入り耐
蝕性が急激に低下する。
Various methods can be used to measure the thickness of the oxide and / or nitride, but an ultrasonic method is desirable. Moreover, the metallic glass plate which has Ni as a main component used for the separator of this invention
For wood, a predetermined thickness of the oxide and / or nitride can be determined by light blue coloration is observed. When black coloring is observed, the film thickness exceeds 0.1 μm, which is not a suitable film thickness for the separator of the present invention. An oxide film is not formed on a metal glass plate that is rapidly solidified. Also, when the metal glass plate is just press-molded in the air or the metal glass plate
When press molding is performed after the oxide film is sufficiently formed on the material , the oxide film is cracked and the corrosion resistance is drastically lowered.
さらに、本発明(3)は、上記の金属ガラス板材の組成、金属ガラス板材の厚さ及び表面
に酸化物及び/又は窒化物の膜を有することに加えて、酸化物及び/又は窒化物の膜が形
成されることで生じる表面の色を規定するものである。表面の色は、JIS Z8729に規定さ
れる三属性による色の表示により明度V>8及び彩度C<3であることを特徴とする。好ま
しくは、色彩HがPB、B、BG、Gの場合、V>8及びC<3であり、色彩Hがそれ以外の場合
、V≧9及びC≦1である色であり、さらに好ましくは、色彩HがPB、B、BG、Gの場合、V
≧9及びC≦2である。
Furthermore, the present invention (3) the composition of the metal glass plate, in addition to having a film of oxide and / or nitride to a thickness and surface of the metallic glass sheet, the oxide and / or nitride It defines the color of the surface produced by the formation of a film. The color of the surface is characterized by lightness V> 8 and chroma C <3 due to color display by three attributes defined in JIS Z8729. Preferably, when the color H is PB, B, BG, G, V> 8 and C <3, and when the color H is otherwise, the color is V ≧ 9 and C ≦ 1, and more preferably When color H is PB, B, BG, G, V
≧ 9 and C ≦ 2.
酸化物及び/又は窒化物の膜の厚さが厚くなるとその表面は金属光沢の白色から明度が
低下することに基づいて本発明(3)の構成を規定している。色相については、その酸化
物及び/又は窒化物の膜の厚さと形態により種々の色彩があり得るが、いずれも彩度Cは
3未満の低い値をとる。本発明(4)、(5)を実施するに当たり、各々のセパレータの
酸化膜の厚さを計測することは行なわず、表面に生じた酸化膜の色彩により判断すること
が容易であり、実際の酸化処理の実施条件を判断をするために本発明(3)は有益である
。
When the thickness of the oxide and / or nitride film is increased, the surface of the film defines the configuration of the present invention (3) based on the fact that the brightness of the surface decreases from a metallic luster white. Regarding the hue, there can be various colors depending on the thickness and form of the oxide and / or nitride film, and the saturation C takes a low value of less than 3. In carrying out the present invention (4) and (5) , the thickness of the oxide film of each separator is not measured, and it is easy to make a judgment based on the color of the oxide film formed on the surface. The present invention (3) is useful for judging the conditions for performing the oxidation treatment.
また、本発明(4)、(5)は、固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法であり、
発明(1)〜(3)を実施するための好ましい方法である。本発明(4)は、厚さが0.
02〜0.5mmの金属ガラス板材を作製し、該金属ガラス板材をガラス遷移温度〜結晶
化温度の過冷却液体領域に加熱した状態でプレス加工して、ガス流路となる凹凸を形成し
、次いで凹凸を形成した表面に酸化物及び/又は窒化物の膜を形成することを特徴とする
発明(1)の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法である。
Moreover, this invention (4), (5) is a manufacturing method of the separator for polymer electrolyte fuel cells,
This is a preferred method for carrying out the inventions (1) to (3) . In the present invention (4) , the thickness is 0.00.
A metal glass plate material having a thickness of 02 to 0.5 mm is prepared, and the metal glass plate material is pressed in a state where it is heated to a supercooled liquid region having a glass transition temperature to a crystallization temperature, thereby forming irregularities serving as gas flow paths. Next, an oxide and / or nitride film is formed on the uneven surface.
It is a manufacturing method of the separator for solid polymer type fuel cells of invention (1) .
本発明(4)においては、金属ガラス板材は燃料電池用セパレータの最終形状に近い厚み
の板材を用いることが望ましい。Ni及び/又はZrを主成分とする金属ガラス板材は強度が
高く2000MPa以上の強度を有するため、強度的に従来のセパレータに比べて薄くす
ることが可能である。そのため、本発明のセパレータの好ましい厚さは、0.02mm以
上0.5mm以下である。このセパレータの好ましい厚さを得るために、加工前厚さの好
ましい範囲は0.03mm以上0.5mm以下であり、さらに好ましくは0.04mm以
上0.1mm以下である。加工前の金属ガラス板材が所望する燃料電池用セパレータの厚
さより薄い場合は、薄い金属ガラス板材を積層させることによっても厚い金属ガラス板材
とすることができる。金属ガラス板材を積層した場合においても、本発明(4)のプレス
方法によれば積層した金属ガラス板材同士が強固に密着するために一枚の板材としてみな
すことができる。
In the present invention (4) , it is desirable to use a metal glass plate having a thickness close to the final shape of the fuel cell separator. Since the metallic glass plate material mainly composed of Ni and / or Zr has high strength and strength of 2000 MPa or more, it can be made thinner than conventional separators. Therefore, the preferable thickness of the separator of the present invention is 0.02 mm or more and 0.5 mm or less. In order to obtain a preferable thickness of the separator, a preferable range of the thickness before processing is 0.03 mm or more and 0.5 mm or less, and more preferably 0.04 mm or more and 0.1 mm or less. If unprocessed metal glass plate material is thinner than the thickness of a fuel cell separator desired may be a thick metallic glass sheet also by laminating a thin metallic glass sheet. Even when metal glass plates are laminated, according to the pressing method of the present invention (4) , the laminated metal glass plates can be firmly adhered to each other, so that they can be regarded as a single plate.
金属ガラス板材を加熱する温度は、ガラス遷移温度〜結晶化温度未満である。ガラス遷移
温度よりも低い温度であると本発明のセパレータを構成する金属ガラス板材は容易に加工
ができないため、凹凸形状を得ることが困難であり、無理に強力な圧力でプレスを行なう
と板材が破断することや、金型の破壊を起こす。また、結晶化温度以上では金属ガラス板
材が脆化するため実用に供せない。望ましいプレス加工は、ガラス遷移温度よりも20K
低い温度まで急速に加熱すると同時にプレス加工を低圧力で開始し、低い昇温速度で昇温
を続け、ガラス遷移温度+30Kの過冷却液体領域で一定温度として加工を続け、所定の
形状を形成した後冷却する方法である。金属ガラス合金は、過冷却液体領域に温度制御し
ていても、過冷却液体領域で長時間保持していると結晶化することがあるので、ガラス遷
移温度まで温度を上げてからプレスを開始すると結晶化するまでの時間が短くなり、プレ
ス途中で結晶化してしまう場合がある。ガラス遷移温度よりも20K低い温度程度から軟
化が始まっておりプレス加工しても破断したりすることを防ぐことができる。
The temperature which heats a metal glass plate material is less than glass transition temperature-crystallization temperature. If the temperature is lower than the glass transition temperature, the metal glass plate material constituting the separator of the present invention cannot be easily processed, so it is difficult to obtain a concavoconvex shape. Breaks or breaks the mold. Also, above the crystallization temperature, a metallic glass plate
Since the material becomes brittle, it cannot be put to practical use. The preferred pressing is 20K above the glass transition temperature.
At the same time as pressing rapidly to a low temperature, press processing was started at a low pressure, the temperature was continuously increased at a low rate of temperature increase, and the processing was continued at a constant temperature in the supercooled liquid region of glass transition temperature + 30K, thereby forming a predetermined shape. This is a method of post-cooling. Even if the temperature of the metallic glass alloy is controlled in the supercooled liquid region, it may crystallize if held for a long time in the supercooled liquid region. The time until crystallization is shortened, and crystallization may occur during pressing. Softening has started from about 20K lower than the glass transition temperature, and it can be prevented from breaking even when pressed.
ガラス遷移温度よりも20K低い温度まで急速に加熱する速度は、その加熱装置によっ
て異なるが、所定温度に加熱した炉中に試料を投入する方法が良好な方法であり、赤外集
光炉、1kHz以上の周波数で発振する高周波誘導加熱炉、又はレーザー加熱などにより急
速に加熱することも望ましい方法である。また、ガラス遷移温度までの昇温速度が10K
/minより低い場合、金属ガラス板材はプレス加工中に結晶化のために脆化する傾向に
あるので望ましくない。プレス加工の圧力は高いほど望ましいが、金型の耐久性から1か
ら10MPaの面圧力で加圧するのが通常である。
The speed of rapid heating to a temperature 20K lower than the glass transition temperature varies depending on the heating device, but a method of putting a sample into a furnace heated to a predetermined temperature is a good method, such as an infrared condensing furnace, 1 kHz Rapid heating by a high frequency induction heating furnace that oscillates at the above frequency or laser heating is also a desirable method. Also, the rate of temperature rise to the glass transition temperature is 10K
Lower than / min, metal glass plate material is undesirable because it tends to be brittle for crystallization during pressing. The higher the pressing pressure, the better, but it is usual to pressurize at a surface pressure of 1 to 10 MPa from the durability of the mold.
さらに、本発明(4)、(5)の製造方法においては、酸化物及び/又は窒化物からなる
膜を形成する工程を付与することが必要である。酸化物膜及び/又は窒化物膜を形成する
工程は種々の方法を用いることができ、例えば、酸素及び/又は窒素含有雰囲気中での加
熱処理、反応性スパッタ法、レーザー照射などを用いることができる。望ましい方法は空
気中で熱処理する方法であり、プレス成形した金属ガラス板材を酸素含有雰囲気中におい
て200〜400℃で5〜100min加熱する方法が好ましく、さらに好ましくは、空
気中において250〜350℃で10〜50min加熱する方法が好ましい。
Furthermore, in the manufacturing method of this invention (4) and (5) , it is necessary to provide the process of forming the film | membrane which consists of an oxide and / or nitride. Various methods can be used for forming the oxide film and / or the nitride film. For example, heat treatment in an oxygen and / or nitrogen-containing atmosphere, reactive sputtering, laser irradiation, or the like can be used. it can. A desirable method is a method in which heat treatment is performed in air, and a method in which a press-molded metallic glass sheet material is heated at 200 to 400 ° C. for 5 to 100 minutes in an oxygen-containing atmosphere, and more preferably at 250 to 350 ° C. in air. A method of heating for 10 to 50 minutes is preferred.
プレス成形した金属ガラス板材を空気中で加熱する場合は、形成される膜は酸化物となる
。加熱する温度が200℃未満であると酸化物からなる膜の形成が顕著ではない。窒素を
流しながら加熱すると酸化物及び窒化物からなる膜が生成する。また350℃以上である
と膜の厚さが急激に増加し、本発明(1)で規定する膜厚以内にすることが困難になる。
加熱処理の時間は、加工する板材の組成などにより異なるが、板材が結晶化するまで時間
を延長してはならない。
When the press-molded metal glass plate material is heated in air, the formed film becomes an oxide. When the heating temperature is less than 200 ° C., formation of a film made of an oxide is not remarkable. When heated while flowing nitrogen, a film made of oxide and nitride is formed. On the other hand, when the temperature is 350 ° C. or higher, the thickness of the film increases rapidly, and it becomes difficult to make the film thickness within the range specified in the present invention (1) .
The heat treatment time varies depending on the composition of the plate material to be processed, but the time must not be extended until the plate material is crystallized.
本発明(4)、(5)は、金属ガラス板材をガラス遷移温度〜結晶化温度未満の温度範囲
でプレスにより燃料電池用セパレータの形状に加工しているが、金型鋳造法によって燃料
電池用セパレータに近い形状の金属ガラス板材を作製した後に、精密な成形を本発明(4
)、(5)の方法と同様に行なうことによって、本発明(1)〜(3)のセパレータを得
ることができる。
In the present inventions (4) and (5) , a metal glass plate is processed into the shape of a fuel cell separator by pressing in a temperature range between the glass transition temperature and the crystallization temperature. After producing a metal glass sheet having a shape close to the separator, the present invention (4
) And (5) , the separators of the present invention (1) to (3) can be obtained.
さらに、本発明(1)〜(3)の固体高分子型燃料電池用セパレータは、酸化処理を施し
ていないNi基金属ガラス板材製のセパレータに比較し水との濡れ性が高く親水性が高い傾
向がある。これは、親水性を目視により判断したものであり、表面に酸化物形成処理を行
なった板材と未処理の板材の上に水を散布して手の指で押し広げると、酸化物形成処理を
行なっていない金属ガラス板材は水が球状に再凝集するが、酸化物形成処理を行なったNi
基金属ガラス板材は押し広げた状態となっていることにより、親水性の傾向を判断した。
親水性が高い傾向は、燃料電池のセパレータにおいて、電力の発生とともに生じる排出さ
せる水が水滴になり流路を閉塞する液詰まりを防止する効果があり、これにより燃料電池
の電圧のふらつきを減少することが可能である。
Furthermore, the polymer electrolyte fuel cell separators of the present invention (1) to (3) have high wettability with water and high hydrophilicity compared to separators made of Ni-based metallic glass plates that are not oxidized. Tend. This is because the hydrophilicity is judged by visual observation, and when the surface is subjected to oxide formation treatment and the untreated plate material is sprayed with water and spread with fingers, the oxide formation treatment is performed. Metal glass plate material that has not been performed is a re-aggregation of water into a spherical shape.
Since the base metal glass plate was in a state of being spread out, the hydrophilic tendency was judged.
The tendency of high hydrophilicity is to prevent the clogging of the fuel cell voltage by preventing the clogging of the flow path due to the water discharged with the generation of power in the fuel cell separator. It is possible.
以上のように、本発明(4)、(5)によれば、従来のカーボン板で複雑な工程により作
製するセパレータに比べて、特定の組成の金属ガラス板材をプレスし酸化処理をするのみ
でセパレータを製造することが可能であり、量産時に大幅なコスト削減が図れる。また、
セパレータ板を薄くすることができるので、積層燃料電池のコンパクト化に寄与する。さ
らに、酸化物膜及び/又は窒化物膜形成処理により低い内部抵抗を維持して金属ガラス板
材の耐食性がさらに向上するためにセパレータの耐久性が向上し、またセパレータ表面の
親水性が高くなり、これらの結果、長時間安定した燃料電池の運転が可能になる。
As described above, according to the present invention (4) and (5) , compared to a separator produced by a complicated process using a conventional carbon plate, only a metal glass plate material having a specific composition is pressed and subjected to an oxidation treatment. Separators can be manufactured, and significant cost reduction can be achieved during mass production. Also,
Since the separator plate can be made thin, it contributes to a compact fuel cell stack. Furthermore, the metal glass plate maintains a low internal resistance by the oxide film and / or nitride film forming process.
Since the corrosion resistance of the material is further improved, the durability of the separator is improved, and the hydrophilicity of the separator surface is increased. As a result, the fuel cell can be stably operated for a long time.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、セパレータ5a、5bの例を示すものである。図1(a)に示すように、セパ
レータ5a,5bは板状に成形され、その主表面に凹凸が形成され、凸部8の先端側が電
極1,3に接触する形態になっている。他方、凹部7は電極層1,3との間にガス流通路
を兼ねたガス拡散層を形成する。本実施形態では、セパレータ5a、5bの両面に凹凸が
ある形態が望ましく、セパレータ5a、5bの剛性と集電性能を考慮して図1(b)に示
すように、凹部7、凸部8を波型にするなどの種々の形状を取りうる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of the
本実施形態において、セパレータ5a,5bに用いる金属ガラス板材は、結晶化せずに
加工する時間を多くとるために、結晶化温度とガラス遷移温度との差で表される過冷却液
体領域の幅が30K以上のものを用いることが好ましい。より好ましくは、50K以上で
ある。
In the present embodiment, the metal glass plate material used for the
以下、本発明(4)、(5)の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法について説
明する。図2は、プレス成形機を用いて本発明(1)〜(3)の金属ガラス板材製の固体
高分子型燃料電池用セパレータを製造する工程を示す概念図である。
Hereinafter, the manufacturing method of the separator for polymer electrolyte fuel cells of the present inventions (4) and (5) will be described. FIG. 2 is a conceptual diagram showing a process for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell made of a metallic glass plate of the present invention (1) to (3) using a press molding machine.
本発明(4)、(5)に従い製造を行なう被加工材であるセパレータの金属ガラス板材1
1は、所定組成を有する金属ガラスからなる板材である。金属ガラス板材は従来公知の単
ロール法、双ロール法、射出成形法、溶湯加圧鍛造法などいずれの方法で作製したもので
も構わないが、ピンホールや光学顕微鏡で確認できるような欠陥があってはならない。た
だし、金属ガラス粉末から成形により作製する方法は、粉末間の微小な亀裂を含有する可
能性が高く、本発明の製造方法において、酸化物膜及び/又は窒化物膜を形成する方法を
用いても耐蝕性を向上させることが困難になるために望ましくない。
Metallic glass plate material 1 of a separator, which is a workpiece to be manufactured according to the present invention (4), (5)
Reference numeral 1 denotes a plate material made of metallic glass having a predetermined composition. The metal glass plate material may be produced by any known method such as a single roll method, a twin roll method, an injection molding method, or a molten metal pressure forging method, but has a defect that can be confirmed with a pinhole or an optical microscope. must not. However, the method of forming from metal glass powder by molding is highly likely to contain fine cracks between powders , and in the manufacturing method of the present invention, a method of forming an oxide film and / or a nitride film is used. However, it is not desirable because it is difficult to improve the corrosion resistance.
雰囲気調整ができるチャンバー13を備えた加熱炉12において、上記金属ガラス板材1
1をホルダー18上に設置する。チャンバー13を真空引きし高純度Ar等の不活性ガスを
導入する(工程1)。
In the
1 is placed on the
不活性雰囲気にした後に加熱炉12にホルダー18に設置した金属ガラス板材11を移
動させて、金属ガラス板材11をガラス遷移温度よりも50K低い温度を越えない温度ま
で急速に加熱し、金属ガラス板材11の予熱を行なう(工程2)。
After making the inert atmosphere, the metal
次に、周囲の雰囲気を制御可能としたプレスチャンバーP内にホルダー18を用いて金
属ガラス板材11を移動し、凹凸形状17を有するプレス用金型15a、15bの間
に配置する(工程3)。
Next, the metallic
プレス用金型15a、15bは、ヒーター16によりガラス遷移温度よりも20K低い
温度以上から結晶化温度未満の温度に予熱されており、金型15a、15bの接近により
金属ガラス板材11は所定の温度まで上昇する。金属ガラス板材11が所定の温度まで上
昇したら両金型間にて加圧する(工程4)。
The pressing dies 15a and 15b are preheated by a
金属ガラス板材11は、過冷却液体温度域に加熱されることで粘性が低下しており、該
加圧により、金型15a、15bの凹凸形状に沿って容易に塑性流動を生じ金型15
a、15bの凹凸形状が金属ガラス板材11に転写される。そして、プレス用金型1
5a、15bを離間させた後に、金属ガラス板材11が400℃以下になるまで冷却を行
ない、次に空気をプレスチャンバー内に導入し、プレス成形した金属ガラス板材11の表
面に酸化物及び/又は窒化物の膜を形成させる(工程5)。
The viscosity of the
The concavo-convex shapes of a and 15b are transferred to the metal
After separating 5a and 15b, cooling is performed until the
酸化物及び/又は窒化物の膜の形成中の温度は、加熱されている金型15a、15bか
らの熱流を用いて金型15a、15bと金属ガラス板材11との距離によりコントロール
を行なう。酸化物及び/又は窒化物の膜の形成が所定時間で終了した後に、プレス用金型
15a、15bを金属ガラス板材11より遠方に離脱し、圧縮ガスをプレスチャンバーP
内に導入することにより金属ガラス板材11の冷却を行い、プレスチャンバーPより凹凸
形状に成形され酸化物及び/又は窒化物の膜が成膜された燃料電池用セパレータを取り出
す。
The temperature during the formation of the oxide and / or nitride film is controlled by the distance between the molds 15a and 15b and the
The metal
本発明(4)、(5)で用いるプレス用金型15a,15bの材料は高温硬度の高い材料
であれば種々の材料が用いられるが、黒鉛、石英ガラス、SKDなどの工具鋼、ベリリウ
ム銅やクロム銅を好適に用いることができる。金属ガラス板材の熱間成形において、赤外
線やレーザー等を加熱源として用いた場合は、石英ガラスのプレス型を用いることにより
、容易に加熱・冷却をすることが可能である。
以下、実施例に基づき本発明(1)〜(5)の具体例を示す。
Various materials can be used for the press dies 15a and 15b used in the present invention (4) and (5) as long as the materials have high hardness at high temperature. However, graphite, quartz glass, tool steel such as SKD, beryllium copper, etc. Or chromium copper can be used preferably. In the hot forming of a metal glass plate material , when infrared rays or lasers are used as a heating source, it is possible to easily heat and cool by using a quartz glass press die.
Hereinafter, specific examples of the present invention (1) to (5) will be shown based on examples.
Ni65Nb5Ti30(原子%)の合金溶湯を単ロール急冷装置により急冷凝固して厚み0.0
4mmの金属ガラス板材を作製した。プレス条件を決定するために示差走査熱量計により
ガラス遷移温度及び結晶化温度を測定したところ、測定時の昇温速度は40K/minで
あるときにガラス遷移温度は818K、結晶化温度は863Kであった。次に、この金属
ガラス板材をJIS引張り試験片14B号の形状と50mmの正方形に切り出した。引張試
験片については空気中の加熱処理のみを行ない、正方形の板材については成形装置により
プレス成形を行なった。
Ni 65 Nb 5 Ti 30 (atomic%) molten alloy is quenched and solidified by a single roll quenching device to a thickness of 0.0
A 4 mm metallic glass plate was produced. When the glass transition temperature and the crystallization temperature were measured with a differential scanning calorimeter in order to determine the pressing conditions, the glass transition temperature was 818 K and the crystallization temperature was 863 K when the rate of temperature increase during the measurement was 40 K / min. there were. Next, this metallic glass plate was cut into a shape of JIS tensile test piece 14B and a 50 mm square. Only the heat treatment in air was performed on the tensile test piece, and the square plate material was press-molded by a molding apparatus.
本プレス成形装置の基本的な構成は、図2と同様な構成である。本装置に深さ0.8m
m、幅1mm、長さ30mmの凸条を1mm間隔で具備した一対の金型を装着してガス流
路となる凹凸形状を形成させることとした。金属ガラス板材を予熱炉で853Kまで昇温
した後、プレスチャンバー内に移動し、10MPaの圧力でプレスを開始し、加圧を続け
たまま923Kまで昇温を続け、5分保持後にプレス金型を20mmずつ中心より後退さ
せ、653Kになった時点で空気をプレスチャンバー内に導入し金属ガラス板材の表面に
酸化物の膜を形成する処理を5分間行なった。5分後に金型を最大限に後退させ圧縮空気
による冷却を行い、凹凸形状に成形した金属ガラス板材を装置から取り出した。これによ
り金型の凹凸形状を正確に転写した燃料電池用セパレータが得られた。
The basic configuration of the press molding apparatus is the same as that shown in FIG. 0.8m deep in this device
A pair of molds provided with m, 1 mm wide, and 30 mm long ridges at intervals of 1 mm were attached to form an uneven shape serving as a gas flow path. After raising the temperature of the metal glass plate to 853K in the preheating furnace, it moves into the press chamber, starts pressing at a pressure of 10MPa, continues to raise the temperature to 923K while continuing to pressurize, and holds the press mold after 5 minutes Was moved from the center by 20 mm, and when the temperature reached 653 K, air was introduced into the press chamber to form an oxide film on the surface of the metal glass plate for 5 minutes. After 5 minutes, the mold was retracted to the maximum and cooled with compressed air, and the metal glass plate formed into a concavo-convex shape was taken out of the apparatus. As a result, a fuel cell separator in which the uneven shape of the mold was accurately transferred was obtained.
作製した燃料電池用セパレータの酸化膜の厚さは0.05μmであり、表面の色をマン
セルの色見本と照らし合わせたところ、色彩H=5B、V=9、C=1(5B9/1)で
あった。また、セパレータにはソリやうねりなどの形状異常は目視では観察されず、溝の
深さ寸法は0.8mmの0.01mm以内の精度であり、良好な形状転写性を有していた
。作製した燃料電池用セパレータについて12時間の硫酸沸騰腐食試験と発電性能評価を
行なった。作製したセパレータを標準セルに入れて単セルを組み立てて、I−V特性から
内部抵抗を測定した。硫酸沸騰腐食試験によって測定した腐食速度及び孔食の有無の結果
及び内部抵抗の値及び引張試験の結果を表1に示す。
The thickness of the oxide film of the produced fuel cell separator is 0.05 μm, and when the surface color is compared with the color sample of Munsell, colors H = 5B, V = 9, C = 1 (5B9 / 1) Met. In addition, shape abnormalities such as warpage and waviness were not visually observed in the separator, and the depth of the groove had an accuracy within 0.01 mm of 0.8 mm, and had good shape transferability. The produced fuel cell separator was subjected to 12-hour sulfuric acid boiling corrosion test and power generation performance evaluation. The produced separator was put into a standard cell to assemble a single cell, and the internal resistance was measured from IV characteristics. Table 1 shows the results of the corrosion rate measured by the sulfuric acid boiling corrosion test, the presence or absence of pitting corrosion, the value of the internal resistance, and the result of the tensile test.
Ni60Nb15Ti15Zr10(原子%)合金溶湯を単ロール急冷装置により急冷凝固して厚み0.
08mmの金属ガラス板材を作製し、実施例1と同一の条件を用いてプレスと成膜を行い
燃料電池用セパレータに加工した。作製した燃料電池用セパレータの酸化膜の厚さは0.
05μmであり、表面の色は色彩H=5B、V=9、C=1(5B9/1)であった。実
施例2においても、実施例1と同様に試験を行なった。試験の結果を表1に示す。
Ni 60 Nb 15 Ti 15 Zr 10 (atomic%) molten alloy is quenched and solidified by a single roll quenching device to obtain a thickness of 0.
A 08 mm metallic glass plate was produced, and pressed and film-formed using the same conditions as in Example 1 to form a fuel cell separator. The thickness of the oxide film of the produced fuel cell separator is 0.
The surface color was H = 5B, V = 9, and C = 1 (5B9 / 1). In Example 2, the test was performed in the same manner as in Example 1. The test results are shown in Table 1.
比較例1
比較例として、Ni65Nb5Ti30(原子%)の厚み0.04mmの金属ガラス板材を作製し
、実施例1と同一の条件を用いてプレスを行い、成膜を行なわずに酸化膜のない燃料電池
用セパレータを作製した。作製した燃料電池用セパレータは超音波式膜厚計では測定限界
以下で膜の存在は確認できなかった。また色彩はなく完全な鏡面光沢で色の判定はできな
かった。比較例1においても、実施例1と同様に試験を行なった。試験の結果を表1に示
す。
Comparative Example 1
As a comparative example, a metallic glass plate material of Ni 65 Nb 5 Ti 30 (atomic%) with a thickness of 0.04 mm was produced, pressed using the same conditions as in Example 1, and the oxide film was formed without film formation. No fuel cell separator was made. The produced fuel cell separator could not be confirmed to be present at the measurement limit or below with an ultrasonic film thickness meter. Also, there was no color, and the color could not be judged due to perfect specular gloss. In Comparative Example 1, the test was performed in the same manner as in Example 1. The test results are shown in Table 1.
比較例2
SUS316Lステンレス鋼を冷間プレスした燃料電池セパレータについても、実施例
1と同様に試験を行なった。結果を表1に示す。
Comparative Example 2
The same test as in Example 1 was performed on a fuel cell separator that was cold-pressed from SUS316L stainless steel. The results are shown in Table 1.
実施例1、2及び比較例1、2で得られた試料について、硫酸沸騰腐食試験を行なった
。さらに実施例1と比較例2、3で作製したセパレータについて、発電性能評価を行なっ
た。作製したセパレータを標準セルに入れて単セルを組み立てて、I−V特性から内部抵
抗を測定した。硫酸沸騰腐食試験によって測定した腐食速度及び孔食の有無の結果及び内
部抵抗の値を表1に示す。
The samples obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were subjected to a sulfuric acid boiling corrosion test. Furthermore, the power generation performance of the separators produced in Example 1 and Comparative Examples 2 and 3 was evaluated. The produced separator was put into a standard cell to assemble a single cell, and the internal resistance was measured from the IV characteristics. Table 1 shows the results of the corrosion rate measured by the sulfuric acid boiling corrosion test, the presence or absence of pitting corrosion, and the value of the internal resistance.
また、本発明の実施例1は、同じ合金組成において酸化膜を有しない比較例1のセパレー
タと比べると、孔食がなく耐腐食性に優れており、内部抵抗は同等の値を示しており、酸
化物の膜の形成が本発明(1)で規定した範囲内であれば内部抵抗を変化させずに耐食性
を向上させることができることが判明した。
In Example 1 of the present invention is different from the separator of Comparative Example 1 having no oxide film in the same alloy composition, is excellent in corrosion resistance without pitting, the internal resistance indicates a value equivalent to If the formation of the oxide film is within the range specified in the present invention (1), the corrosion resistance is maintained without changing the internal resistance.
It has been found that it is possible to improve.
Claims (5)
%、5原子%≦b≦20原子%、15原子%≦c≦30原子%、0≦x≦0.17)で表さ
れる組成からなり、厚さが0.02〜0.5mmの金属ガラス板材からなるとともに、そ
の表面に、該金属ガラス板材を酸素及び/又は窒素含有雰囲気中で加熱処理して形成され
た、金属ガラス板材中の成分元素の酸化物及び/又は窒化物からなる厚さが0.003〜
0.1μmの耐食性膜を有し、金属ガラス板材の一部がガス流路となるように過冷却液体
領域におけるプレス成形により凹凸形状を設けてあることを特徴とする固体高分子型燃料
電池用セパレータ。 The material of the separator is a composition formula (Ni 1-x Zr x ) a Nb b Ti c (60 atomic% ≦ a ≦ 70 atomic%, 5 atomic% ≦ b ≦ 20 atomic%, 15 atomic% ≦ c ≦ 30 atomic% , 0 ≦ x ≦ 0.17), and a thickness of 0.02 to 0.5 mm of the metal glass plate, and the surface of the metal glass plate contains oxygen and / or nitrogen. Formed by heat treatment in atmosphere
Was, 0.003 to thickness of oxide and / or nitride of component elements of the metallic glass plate in
For solid polymer fuel cells, characterized by having a 0.1 μm corrosion-resistant film and having a concavo-convex shape by press molding in a supercooled liquid region so that a part of the metal glass plate becomes a gas flow path Separator.
固体高分子型燃料電池用セパレータ。Solid polymer fuel cell separator.
>8及び彩度C<3であることを特徴とする請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電池
セパレータ。 The color of the surface on which the film is formed is lightness V by the color display by three attributes specified in JIS Z8729.
The polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein> 8 and chroma C <3.
原子%、15原子%≦c≦30原子%、0≦x≦0.17)で表される組成からなり、厚
さが0.02〜0.5mmの金属ガラス板材11を作製し、該金属ガラス板材11を周囲の雰
囲気を制御可能としたプレスチャンバーP内でガラス遷移温度〜結晶化温度の過冷却液体
領域に加熱した状態で凹凸形状17を有するプレス用金型15a,15bでプレス加工して、ガス
流路となる凹凸形状を該金属ガラス板材11に形成し、
次いで、凹凸形状を形成した表面に金属ガラス板材中の成分元素の酸化物及び/又は窒化
物の厚さが0.003〜0.1μmの耐食性膜を形成することを特徴とする請求項1記載
の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法。 Composition formula (Ni 1-x Zr x ) a Nb b Ti c (60 atomic% ≦ a ≦ 70 atomic%, 5 atomic% ≦ b ≦ 20
Atomic%, 15 atomic% ≦ c ≦ 30 atomic%, 0 ≦ x ≦ 0.17), and a metal glass plate 11 having a thickness of 0.02 to 0.5 mm is produced. cut the glass plate 11 of the surrounding
In the press chamber P in which the atmosphere can be controlled , the press flow is performed with the press dies 15a and 15b having the concavo-convex shape 17 in a state heated to the supercooled liquid region of the glass transition temperature to the crystallization temperature, and the gas channel and the becomes uneven shape formed on the metal glass plate 11,
Next , a corrosion-resistant film having a thickness of 0.003 to 0.1 μm of the oxides and / or nitrides of the component elements in the metal glass plate material is formed on the surface having the irregular shape formed thereon. Manufacturing method of the separator for solid polymer fuel cells.
を離間させた後に、金属ガラス板材11が400℃以下になるまで冷却を行い、次に空気を
プレスチャンバーP内に導入して該膜を形成することを特徴とする請求項4記載の固体高
分子型燃料電池用セパレータの製造方法。 An uneven shape 17 serving as a gas flow path is formed on the metal glass plate 11, and then pressing dies 15a, 15b
After separating, the metal glass plate 11 is cooled until the temperature becomes 400 ° C. or lower, and then the air is
5. The method for producing a separator for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein the film is formed by being introduced into a press chamber P.
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