JP5076294B2 - 燃料電池用セパレータ、燃料電池スタック、及び燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
酸素極側:(1/2)O2+2H++ 2e−→H2O ・・・式(2)
水素極83側に水素ガスが供給されると、式(1)の反応が進行して、H+とe−とが生成する。H+は、水和状態で固体高分子電解質膜81内を移動して酸素極82側に流れ、e−は負荷88を通って水素極83から酸素極82に流れる。酸素極82側では、H+とe−と供給された酸素ガスとにより、式(2)の反応が進行して、電力が生成する。
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。図2は、図1に示す燃料電池スタック1の詳細な構成を模式的に示す燃料電池スタック1の展開図である。
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施の形態について説明する。この燃料電池用セパレータの製造方法は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素と、0.1[%]以上の濃度をの窒素とを含む合金からなる基材の表面を窒化処理する窒化処理工程を有することを特徴とする。この方法により、基材の表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層を備え、基材は窒化層との界面領域に窒素を含有する高性能の燃料電池用セパレータが容易に得られる。
本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の一例として、前述した本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックを動力源として備えた燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
実施例ではJIS規格の窒素含有量の異なるオーステナイト系ステンレス鋼として、SUS304LN、SUS316LNを、比較例では窒素を含有しないオーステナイト系ステンレス鋼として、SUS304、SUS316、SUS316Lを用いた。表1に、用いた基材及び基材の組成を示す。各例において、板厚0.1[mm]の光輝焼鈍(BA)材を用い、これらの基材を脱脂洗浄後、両面に直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理を施した。表2に窒化方法及び窒化条件を示す。表2に示すように、プラズマ窒化条件は、処理温度400〜550[℃]、処理時間1〜60[分]、ガス混合比をN2:H2=1:1又は7:3とし、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とした。
上記方法によって得られた試料の窒化層の結晶構造の同定は、窒化処理を施すことによって改質した基材表面をX線回折測定することにより行った。装置は、マックサイエンス社製 X線回折装置(XRD)を用いた。測定は、線源はCuKα線、回折角20〜100[゜]、スキャン速度2[゜/min]の条件で行った。
窒化層の厚さは、光学顕微鏡または走査型電子顕微鏡を用いて断面観察することにより測定した。
基材の窒化層との界面領域(便宜上窒素含有層とする)の窒素量の測定は、走査型オージェ電子分光分析装置により行った。装置は、PHI社製 MODEL4300を用いた。測定は、電子線加速電圧5[kV]、測定領域20[μm]×16[μm]、イオン銃加速電圧3[kV]、スパッタリングレート10[nm/min](SiO2換算値)の条件で行った。検出限界は0.05[mass%]である。
得られた試料を30[mm]×30[mm]の大きさに切り出して接触抵抗を測定した。装置は、アルバック理工製 圧力負荷接触電気抵抗測定装置 TRS-2000SS型を用いた。図9(a)に示すように、電極61とサンプル62との間にカーボンペーパ63を介在させて、図9(b)に示すように、電極61a/カーボンペーパ63a/サンプル62/カーボンペーパ63b/電極61bの構成とした。そして、測定面圧1.0[MPa]にて1[A/cm2]の電流を流した際の電気抵抗を2回測定し、各電気抵抗の平均値を求めて接触抵抗値とした。カーボンペーパは、カーボンブラックで担持した白金触媒を塗布したカーボンペーパ(東レ(株)製カーボンペーパ TGP-H-090 厚さ0.26[mm]、かさ密度0.49[g/cm3]、空隙率73[%]、厚さ方向体積抵抗率0.07[Ω・cm2])を用いた。電極は、直径φ20のCu製電極を用いた。この接触抵抗測定は、後述する電解試験の前後で2回測定を行った。
燃料電池では、水素極側に比較して酸素極側に最大で1[VvsSHE]程度の電位がかかる。また、固体高分子電解質膜は、分子中にスルホン酸基等のプロトン交換基を有する高分子電解質膜を飽和に含水させてプロトン伝導性を利用するものであり、強酸性を示す。このため、耐食性の評価は、電気化学的な手法である定電位電解試験を用いて、所定の定電位をかけた状態で一定時間保持後に溶液中に溶け出す金属イオン量を蛍光X線分析により測定し、イオン溶出量の値から耐食性の低下の度合いを評価した。
2 単セル
3 燃料電池用セパレータ
4 エンドフランジ
5 締結ボルト
10 基材
10a 表面
10b 界面領域
11 窒化層
12 基層
13 通路
14 平板部
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
Claims (8)
- Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素を含む合金からなる基材と、
前記基材の表面から深さ方向に形成され、かつ、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属原子によって形成された面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が配置されたM4N型の結晶構造を有する窒化層と、
を備え、
前記基材は前記窒化層との界面領域に窒素を含有し、前記界面領域における窒素濃度は0.1[%]以上であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 前記窒化層は、開裂を有することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記窒化層との界面領域は、窒素濃度が0.2[%]以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の燃料電池用セパレータ。
- 前記窒化層は、厚さが0.5〜5[μm]の範囲にあることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
- Fe、Cr、Ni及びMoの中から選ばれた遷移金属元素と、0.1[%]以上の濃度の窒素とを含む合金からなる基材の表面を窒化処理する窒化処理工程を有し、
前記窒化処理工程は、500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を行うことにより、M 4 N型の結晶構造を有する窒化層を形成することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 前記窒化処理工程の後に、プレス加工により燃料または酸化剤の通路を形成する工程を有することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記プラズマ窒化処理における処理条件は、温度を400〜500[℃]とし、処理時間を1〜60[分] とし、ガス混合比をN2:H2=3:7〜7:3とし、処理圧力を399〜931[Pa]とすることを特徴とする請求項5又は6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項1乃至請求項4のいずれか一項に係る燃料電池用セパレータを有することを特徴とする燃料電池スタック。
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