KR101266096B1 - Fuel cell separator and method for producing same - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터(20)는, 스테인리스강 기재(12a)와, 스테인리스강 기재(12a) 상에 형성되고 핀 홀(22a)을 갖는 금도금층(22)과, 핀 홀(22a) 내에 형성된 스테인리스강의 부동태층(16)을 갖고, 금도금층(22)과 스테인리스강 기재(12a)가 스테인리스강의 부동태층을 개재하지 않고 접촉하는 영역을 갖는다. 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터(20)는, 스테인리스강 기재(12)의 표면에 산성의 금 스트라이크 도금액을 이용해 스트라이크 금도금층을 형성한 후, 금도금층(22)을 형성하고, 그 후 부동태화 처리를 행함으로써 제조할 수 있다. 본 발명에 의하면, 내식성이 뛰어나고 또한 저비용으로 제조 가능한 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법이 제공된다.The fuel cell separator 20 of the present invention is formed in the stainless steel substrate 12a, the gold plating layer 22 formed on the stainless steel substrate 12a and having the pinhole 22a, and formed in the pinhole 22a. It has the passivation layer 16 of stainless steel, and has the area | region which the gold plating layer 22 and the stainless steel base material 12a contact without passing through the passivation layer of stainless steel. In the fuel cell separator 20 of the present invention, after forming the strike gold plated layer on the surface of the stainless steel substrate 12 using an acidic gold strike plating solution, the gold plated layer 22 is formed, and then the passivation treatment is performed. It can manufacture by performing. According to this invention, the separator for fuel cells which can be manufactured excellent in corrosion resistance and low cost, and its manufacturing method are provided.

Description

연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법{FUEL CELL SEPARATOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}Fuel cell separator and its manufacturing method {FUEL CELL SEPARATOR AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것으로, 특히, 자동차용 전원, 휴대 기기용 전원, 분산 전원 등에 이용되는 고체 고분자형 연료 전지에 적합한 세퍼레이터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly, to a separator suitable for a solid polymer fuel cell used for an automotive power supply, a portable device power supply, a distributed power supply, and the like.

발전 효율이 높고 환경 부담도 낮다는 등의 관점에서 차세대 에너지원으로서 연료 전지에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.In view of high power generation efficiency and low environmental burden, research on fuel cells as a next generation energy source is being actively conducted.

연료 전지는 연료인 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 얻는 발전 장치이다. 연료 전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 고체 산화물형 연료 전지(SOFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 고체 고분자형 연료 전지(PEFC), 직접 메탄올형 연료 전지(DMFC)로 분류된다. 그 중에서도 PEFC 및 DMFC는 다른 타입의 연료 전지에 비해 작동 온도가 약 70∼90℃로 낮고, PEFC에서 1㎾ 정도, DMFC에서 수백 W 정도에서도 고효율의 발전이 가능한 것으로부터, 특히, 자동차나 휴대 기기 등에의 적용이 기대되고 있다. 특히, DMFC는 소형이어서 휴대 기기에의 적용이 활발하게 연구되고 있다.A fuel cell is a power generation device that obtains electrical energy by electrochemically reacting hydrogen and oxygen as fuels. The fuel cell is a solid oxide fuel cell (SOFC), a molten carbonate fuel cell (MCFC), a phosphate fuel cell (PAFC), a solid polymer fuel cell (PEFC), or a direct methanol fuel, depending on the type of electrolyte used. It is classified as a battery (DMFC). Among them, PEFCs and DMFCs have a low operating temperature of about 70 to 90 ° C. compared with other types of fuel cells, and are capable of generating high efficiency even at about 1 kW in PEFCs and in hundreds of Ws in DMFCs. Application to the back is expected. In particular, the DMFC is compact and its application to portable devices is being actively studied.

세퍼레이터에는 가스 투과성이 작을 것, 도전성이 뛰어날 것, 접촉 저항이 낮을 것, 내식성이 뛰어날 것 등이 요구된다. 특히, 내식성 및 도전성에 대한 요청은 최근 더욱 강해지고 있어, 내식성의 평가 기준으로서 '세퍼레이터를 pH가 약 1인 황산 용액에 1000 시간 침지해도 녹(또는 부식)이 발생하지 않는 것'이 제시되고 있다. 특히, DMFC는 소형이어서 표면의 도전성이 우수할 것이 요구된다.The separator is required to have low gas permeability, excellent conductivity, low contact resistance, excellent corrosion resistance, and the like. In particular, requests for corrosion resistance and conductivity have become stronger in recent years. As a criterion for evaluation of corrosion resistance, it has been suggested that rust (or corrosion) does not occur even if the separator is immersed in a sulfuric acid solution having a pH of about 1000 hours. . In particular, it is required that the DMFC be compact and have excellent surface conductivity.

이와 같은 특성을 갖는 세퍼레이터용 재료로서 카본 재료가 범용되고 있다. 그러나, 카본 재료는 인성(靭性)이 부족하고 무르기 때문에 가공이 곤란하여, 가공 비용이 비싸다고 하는 문제가 있다. 따라서, 최근에는 카본 재료 대신에, 가공이 쉽고 가공 비용도 저렴한 스테인리스강을 세퍼레이터용 재료로서 사용하는 것이 검토되고 있다.Carbon materials are widely used as separator materials having such characteristics. However, the carbon material has a problem that it is difficult to process because of lack of toughness and softness, and the processing cost is high. Therefore, in recent years, the use of stainless steel which is easy to process and low in processing cost as a separator material is considered instead of a carbon material.

스테인리스강의 표면에는 강 중에 포함되는 Cr이 대기중의 산소와 결합한 산화피막(부동태피막)이 생성되기 때문에, 내식성이 뛰어나지만 접촉 저항이 커, 그대로는 세퍼레이터용 재료로서 사용할 수 없다. 이 때문에, 내식성 및 도전성이 뛰어난 귀금속에 의해 스테인리스강의 표면을 피복하는 것을 생각할 수 있지만, 부동태피막과 금속막의 밀착성이 매우 나쁘기 때문에, 스테인리스강의 표면에 금속막을 직접 형성하는 것은 매우 곤란하다. 따라서, 지금까지는 에칭 등에 의해 부동태피막을 완전하게 제거한 후, Ni 등의 금속을 함유하는 하지 도금층을 형성하고 나서, 귀금속을 도금하는 방법을 채용하고 있었다. 그러나, 상기의 방법에 따라 얻어진 세퍼레이터를 장시간 사용하면, 내식성이 저하해 연료 전지로서의 성능이 저하한다는 문제가 있다. 이는 귀금속막에 생성된 핀 홀을 통해 부식액이 내부로 침입해, 이종 금속 접촉 부식(갈바니 부식(galvanic corrosion))이 진행되기 때문이라고 생각된다. 따라서, 이 방법에서는 전술한 내식성의 평가 기준(세퍼레이터를 강산성 용액에 1000 시간 이상 침지해도 녹의 발생이 인정되지 않는다)을 만족할 수 없다.On the surface of the stainless steel, an oxide film (floating film) in which Cr contained in the steel is combined with oxygen in the atmosphere is produced. Therefore, the corrosion resistance is excellent, but the contact resistance is large, and it cannot be used as a separator material as it is. For this reason, although the surface of stainless steel is coat | covered with the noble metal which is excellent in corrosion resistance and electroconductivity, since the adhesiveness of a passivation film and a metal film is very bad, it is very difficult to form a metal film directly on the surface of stainless steel. Therefore, until now, the passivation film was completely removed by etching or the like, and then a base plating layer containing a metal such as Ni was formed, and then a method of plating precious metals was employed. However, when the separator obtained by the said method is used for a long time, there exists a problem that corrosion resistance falls and the performance as a fuel cell falls. It is thought that this is because the corrosion liquid enters through the pinhole formed in the noble metal film, and dissimilar metal contact corrosion (galvanic corrosion) proceeds. Therefore, this method cannot satisfy the above-mentioned evaluation criteria of corrosion resistance (the occurrence of rust is not recognized even if the separator is immersed in the strong acid solution for 1000 hours or more).

한편, 스테인리스강의 표면에 형성된 부동태층을 제거하지 않고, 그 위에 직접 귀금속층을 형성한 세퍼레이터가, 특허 문헌 1 및 2에 개시되어 있다.On the other hand, Patent Literatures 1 and 2 disclose separators in which a noble metal layer is directly formed thereon without removing the passivation layer formed on the surface of stainless steel.

특허 문헌 1에 의하면, 부동태층 위에 직접 형성하는 금층의 피복률을 2.3%∼94%로 하면, 세퍼레이터의 내식성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 접촉 저항을 충분히 저감시킬 수 있다.According to Patent Document 1, when the coverage of the gold layer formed directly on the passivation layer is 2.3% to 94%, not only the corrosion resistance of the separator can be improved but also the contact resistance can be sufficiently reduced.

또한, 특허 문헌 2에 의하면, 부동태층 위에 직접 귀금속층을 형성한 다음, 100℃ 이상 600℃ 이하의 온도에서 5분 이하의 시간, 진공중 또는 불활성 가스중에서 열처리함으로써, 모재의 금속 성분이 귀금속층에 적당히 확산한 결과, 모재(예를 들면 스테인리스강)와 귀금속층 사이의 밀착성이 개선된다.Further, according to Patent Document 2, by forming a noble metal layer directly on the passivation layer, and then heat treatment in a vacuum or inert gas for 5 minutes or less at a temperature of 100 ° C or more and 600 ° C or less, the metal component of the base material is a noble metal layer As a result of the diffusion, the adhesion between the base material (for example, stainless steel) and the noble metal layer is improved.

특허 문헌 1: 일본 특허공개 2004-296381호 공보Patent Document 1: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-296381 특허 문헌 2: 일본 특허공개 2007-323988호 공보Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-323988

그러나, 본 발명자의 검토에 의하면, 특허 문헌 1에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터는 내식성이 충분하지 않다. 또한, 특허 문헌 2에 기재된 세퍼레이터는 귀금속층의 스테인리스강에 대한 밀착성을 향상시키기 위한 열처리를 필요로 하므로, 처리율(throughput)이 나쁘고 비용이 높다는 문제가 있다.However, according to the inventor's examination, the separator for fuel cells described in patent document 1 does not have enough corrosion resistance. In addition, the separator described in Patent Document 2 requires a heat treatment for improving the adhesion of the precious metal layer to stainless steel, and thus has a problem of poor throughput and high cost.

본 발명의 목적은 내식성이 뛰어나고 또한 저비용으로 제조 가능한 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.An object of the present invention is to provide a separator for fuel cells and a method for producing the same which are excellent in corrosion resistance and can be manufactured at low cost.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는, 스테인리스강 기재와, 상기 스테인리스강 기재 상에 형성되고 핀 홀을 갖는 금도금층과, 상기 핀 홀 내에 형성된 스테인리스강의 부동태층을 갖고, 상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재가 스테인리스강의 부동태층을 개재하지 않고 접촉하는 영역을 갖는다. 상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재의 사이에는 스테인리스강의 부동태층이 존재하지 않는 것이 바람직하다. 상기 금도금층의 두께는 적어도 0.01㎛를 넘는 것이 바람직하고, 0.05㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.The fuel cell separator of the present invention has a stainless steel substrate, a gold plating layer formed on the stainless steel substrate and having a pinhole, and a passivation layer of stainless steel formed in the pinhole, wherein the gold plating layer and the stainless steel substrate are It has an area | region which contacts without passing through the passivation layer of stainless steel. It is preferable that the passivation layer of stainless steel does not exist between the said gold plating layer and the said stainless steel base material. It is preferable that the thickness of the said gold plating layer exceeds at least 0.01 micrometer, and it is more preferable that it is 0.05 micrometer or more.

일 실시 형태에서, 상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재는, 크롬을 실질적으로 함유하지 않는 철산화물층을 개재해 접촉하는 영역을 갖는다. 상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재의 사이에는 크롬을 실질적으로 함유하지 않는 철산화물층이 존재한다.In one embodiment, the said gold plating layer and the said stainless steel base material have the area | region which contacts through the iron oxide layer which does not contain chromium substantially. An iron oxide layer substantially free of chromium exists between the gold plated layer and the stainless steel substrate.

일 실시 형태에서, 상기 부동태층의 두께는 4㎚ 이상이다.In one embodiment, the passivation layer is at least 4 nm thick.

일 실시 형태에서, 상기 금도금층의 두께는 0.3㎛ 이하이다.In one embodiment, the thickness of the said gold plating layer is 0.3 micrometer or less.

일 실시 형태에서, 상기 금도금층의 접촉 저항은 10 mΩ·㎠ 이하이다.In one embodiment, the contact resistance of the said gold plating layer is 10 m (ohm) * cm <2> or less.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은, 스테인리스강 기재를 준비하는 공정 a와, 상기 공정 a의 뒤에, 상기 스테인리스강 기재의 표면에 산성의 금 스트라이크 도금액을 이용해 스트라이크 금도금층을 형성하는 공정 b와, 상기 공정 b의 뒤에, 상기 스트라이크 금도금층 위에 순금 도금층을 형성하는 공정 c와, 상기 공정 c의 뒤에, 상기 금도금층이 핀 홀을 가질 때, 상기 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층을 형성할 수 있는 조건으로 부동태화 처리를 행하는 공정 d를 포함한다.The manufacturing method of the fuel cell separator of this invention includes the process a of preparing a stainless steel base material, and the process b of forming a strike gold plating layer after the said process a using the acidic gold strike plating liquid on the surface of the said stainless steel base material; After the step b, the step c of forming a pure gold plating layer on the strike gold plated layer, and after the step c, when the gold plated layer has a pin hole, it is possible to form a passivation layer of stainless steel in the pin hole The process d which performs a passivation process on condition is included.

일 실시 형태에서, 부동태화 처리는 30% 이상의 농도의 질산을 이용하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the passivation treatment preferably utilizes nitric acid at a concentration of at least 30%.

일 실시 형태에서, 상기 공정 a의 뒤, 상기 공정 b의 전에, 상기 스테인리스강 기재의 표면을 에칭하는 공정을 더 포함한다.In one embodiment, the method further includes a step of etching the surface of the stainless steel substrate after the step a and before the step b.

일 실시 형태에서, 상기 공정 c에서 형성되는 금도금층은 핀 홀을 갖고, 상기 공정 d에서 상기 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층을 형성한다.In one embodiment, the gold plated layer formed in step c has a pinhole, and in step d, a passivation layer of stainless steel is formed in the pinhole.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 어느 하나의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 따라 제조된 연료 전지용 세퍼레이터와 실질적으로 같은 구조를 갖고 있으면 된다. 즉, 금도금층과 스테인리스강 기재 사이의 부동태층은 적어도 그 일부가 제거된 결과, 금도금층과 스테인리스강 기재의 밀착성이 개선되고, 또한 금도금층의 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층이 형성됨으로써 내식성이 향상된 구조를 갖고 있으면 된다.The fuel cell separator of this invention should just have a structure substantially the same as the fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of any one of said fuel cell separators. That is, the passivation layer between the gold plated layer and the stainless steel substrate is at least partially removed, thereby improving the adhesion between the gold plated layer and the stainless steel substrate, and further improving the corrosion resistance by forming the passivation layer of the stainless steel in the pin hole of the gold plated layer. You just need to have a structure.

본 발명에 따르면, 내식성이 뛰어나고 또한 금도금층의 밀착성이 높은 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법이 제공된다.According to this invention, the separator for fuel cells which is excellent in corrosion resistance and high adhesiveness of a gold plating layer, and its manufacturing method are provided.

도 1의 (a)∼(e)는 본 발명에 의한 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.
도 2는 스테인리스강 기재의 농도 프로파일을 나타내는 그래프로서, (a)는 시판되는 스테인리스강(SUS304) 기재의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이고, (b)는 표면을 에칭 및 수세한 후의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 3의 (a)는 에칭 및 수세 후에 10% 질산 수용액으로 부동태화 처리한 후의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이고, (b)는 에칭 및 수세 후에 10% 질산 수용액으로 부동태화 처리한 후의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 4의 (a)는 시료 4, (b)는 시료 8에 각각 대응하는 샘플의 농도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
1: (a)-(e) are typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the separator 20 for fuel cells of embodiment which concerns on this invention.
2 is a graph showing a concentration profile of a stainless steel substrate, (a) is a graph showing a concentration profile of a commercially available stainless steel (SUS304) substrate, and (b) is a graph showing a concentration profile after etching and washing the surface thereof. to be.
FIG. 3A is a graph showing a concentration profile after passivation with a 10% nitric acid solution after etching and washing with water, and (b) shows a concentration profile after passivation with a 10% nitric acid solution after etching with washing with water It is a graph.
(A) of FIG. 4 is a graph which shows the density profile of the sample corresponding to sample 4, (b) respectively.

이하, 도면을 참조해, 본 발명에 의한 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법을 설명한다. 한편, 본 발명은 예시하는 실시 형태로 한정되는 것이 아니다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, with reference to drawings, the separator for fuel cells and embodiment of the manufacturing method of this embodiment by this invention are demonstrated. In addition, this invention is not limited to embodiment to illustrate.

도 1의 (a)∼(e)에 본 발명에 의한 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터(20)의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적인 단면도를 나타낸다.A schematic cross section for demonstrating the manufacturing method of the separator 20 for fuel cells of embodiment which concerns on this invention to FIG.1 (a)-(e) is shown.

본 발명에 의한 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 우선, 도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 스테인리스강 기재(12)를 준비한다. 스테인리스강 기재(12)는 스테인리스강으로 구성된 본체부(12a)와, 본체부(12a)의 표면에 형성된 부동태층(부동태피막)(14)을 갖는다. 부동태층(14)은 주지된 바와 같이, 스테인리스강을 대기중에 방치하면 자연히 형성되고, 크롬의 산화물과, 크롬 및 철의 수산화물을 함유하고, 내식성이 뛰어나다. 본체부(12a)쪽에 크롬의 산화물층이 형성되고, 표면쪽에 크롬 및 철의 수산화물층이 형성되어 있다고 생각된다. 부동태층(14)의 두께는 조건에 따라 다르지만 수 ㎚ 정도이다. 스테인리스강으로는, 예를 들면, 오스테나이트계 스테인리스강(예를 들면, SUS 304, SUS 316) 또는 오스테나이트-페라이트계 스테인리스강(예를 들면, SUS 329 J1)을 바람직하게 이용할 수 있다. 다음 공정에 앞서 필요에 따라, 부동태층(14)의 표면을 세정 및/또는 탈지해도 된다.In the manufacturing method of the fuel cell separator of embodiment which concerns on this invention, first, as shown to FIG. 1 (a), the stainless steel base material 12 is prepared. The stainless steel base material 12 has a main body part 12a made of stainless steel and a passivation layer (floating film) 14 formed on the surface of the main body part 12a. As is well known, the passivation layer 14 is naturally formed when the stainless steel is left in the air, and contains an oxide of chromium and a hydroxide of chromium and iron, and is excellent in corrosion resistance. It is thought that the oxide layer of chromium is formed in the main body part 12a side, and the hydroxide layer of chromium and iron is formed in the surface side. Although the thickness of the passivation layer 14 changes with conditions, it is about several nm. As stainless steel, an austenitic stainless steel (for example, SUS 304, SUS 316) or an austenitic-ferritic stainless steel (for example, SUS 329 J1) can be used preferably. Prior to the next step, the surface of the passivation layer 14 may be cleaned and / or degreased as necessary.

다음으로, 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 스테인리스강 기재(12)의 표면을 에칭한다. 에칭액으로 예를 들면, 염산이나, 염산과 질산과의 혼산을 이용하면, 부동태층(14)을 제거할 수 있다. 또한, 에칭을 대신해, 전해액으로서 황산 수용액을 이용한 음극 전해법으로도 부동태층(14)을 제거할 수 있다. 이와 같이, 산성의 금 스트라이크 도금액을 이용해 스트라이크 금도금층(22s)을 형성하는 이후의 공정에 앞서 부동태층(14)을 일단 제거함으로써, 최종적인 금도금의 마무리의 균일성을 높일 수 있다. 금도금의 마무리의 균일성은 육안으로 용이하게 확인할 수 있다.Next, as shown in FIG.1 (b), the surface of the stainless steel base material 12 is etched. As the etching solution, for example, hydrochloric acid or a mixture of hydrochloric acid and nitric acid can be used to remove the passivation layer 14. Instead of etching, the passivation layer 14 can also be removed by a cathodic electrolytic method using an aqueous sulfuric acid solution as the electrolyte. As described above, the passivation layer 14 is once removed prior to the subsequent step of forming the strike gold plated layer 22s using the acidic gold strike plating solution, thereby improving the uniformity of the final gold plating finish. The uniformity of the finish of the gold plating can be easily confirmed with the naked eye.

한편, 부동태층(14)을 제거한 후, 스트라이크 금도금층을 형성하기 전에, 스테인리스강 기재(12)(본체부(12a))의 표면에 부착한 에칭액을, 예를 들면 수세함으로써 제거하는 것이 바람직하다. 이때, 부동태층이 다시 형성될 수도 있다. 또한, 부동태층(14)을 제거한 후의 보존 환경에 따라서는, 부동태층이 다시 형성되는 경우가 있다. 상기의 방법으로 부동태층(14)을 일단 제거해 두면, 스테인리스강 기재 표면의 균일성을 높일 수 있으므로, 그 후에 부동태층이 형성되어도, 최종적인 금도금의 마무리의 균일성을 높일 수 있다.On the other hand, after removing the passivation layer 14, before forming the strike gold plating layer, it is preferable to remove the etching liquid adhering to the surface of the stainless steel base material 12 (main part 12a), for example by washing with water. . At this time, the passivation layer may be formed again. In addition, depending on the storage environment after removing the passivation layer 14, the passivation layer may be formed again. Once the passivation layer 14 is removed by the above method, the uniformity of the surface of the stainless steel substrate can be improved, so that even after the passivation layer is formed, the uniformity of the final gold plating finish can be improved.

한편, 산성의 금 스트라이크 도금액을 이용해 스트라이크 금도금층을 형성하는 과정에서, 스테인리스강 기재(12) 표면의 부동태층(14)은 적어도 부분적으로 제거되므로, 스트라이크 금도금 공정에 앞서 미리 부동태층(14)을 제거하지 않아도, 내식성이나 밀착성이 뛰어난 금도금층을 얻을 수 있다. 도 1의 (b)를 참조해 설명한 에칭 공정을 행함으로써 최종적인 금도금의 마무리의 균일성을 높일 수 있다. 자연히 형성되는 산화층은, 이력(압연 조건, 보관 환경, 처리 전 가공 상황 등)에 의해 산화의 정도, 산화층의 두께나 산화층 조성이 불균일하여, 에칭 처리로 불균일한 산화층을 제거함으로써 표면의 균일성을 높일 수 있을 것으로 생각된다.On the other hand, in the process of forming the strike gold plating layer using the acidic gold strike plating solution, the passivation layer 14 on the surface of the stainless steel substrate 12 is at least partially removed, so that the passivation layer 14 is removed before the strike gold plating process. Even if it is not removed, the gold plating layer excellent in corrosion resistance and adhesiveness can be obtained. By performing the etching process described with reference to FIG. 1B, the uniformity of the final gold plating finish can be improved. The naturally formed oxide layer is uneven in the degree of oxidation, the thickness of the oxide layer, or the composition of the oxide layer due to hysteresis (rolling conditions, storage environment, processing conditions before processing, etc.), and the uniformity of the surface is removed by removing the non-uniform oxide layer by etching. I think it can be increased.

다음으로, 도 1의 (c)에 나타내는 바와 같이, 부동태층(14)이 제거된 결과 노출된 본체부(12a)의 표면에, 산성의 금 스트라이크 도금액(예를 들면, 고지마(小島) 화학 약품 주식회사 제품 K-770)을 이용해 스트라이크 금도금층(22s)을 형성한다. 산성의 금 스트라이크 도금액으로는 공지된 것을 널리 이용할 수 있다. 예를 들면, pH가 0.4 이상 1.0 이하(액온 20℃ 이상 40℃ 이하)의 것이 바람직하다. 전류 밀도는 예를 들면 0.5 A/dm2 이상 8.0 A/dm2 이하이고, 도금 시간은 예를 들면 30초 이상 90초 이하이다. 스트라이크 금도금층(22s)의 두께는, 예를 들면 0.005㎛ 이상 0.05㎛ 이하인 것이 바람직하다. 스트라이크 금도금층(22s)은 매우 얇기 때문에 핀 홀(22sa)을 갖는다. 한편, 전술한 바와 같이, 도 1의 (b)를 참조해 설명한 부동태층(14)을 제거하는 공정을 생략해도, 부동태층(14)의 제거는 금 스트라이크 도금 공정에서도 일어나므로, 도 1의 (c)에 나타낸 구조를 얻을 수 있다.Next, as shown in FIG. 1C, an acidic gold strike plating liquid (for example, Kojima Chemical Co., Ltd.) is applied to the surface of the main body portion 12a exposed as a result of the passivation layer 14 is removed. Strike gold plating layer 22s is formed using K-770 by the Corporation. As the acidic gold strike plating solution, known ones can be widely used. For example, it is preferable that pH is 0.4 or more and 1.0 or less (liquid temperature 20 degreeC or more and 40 degrees C or less). The current density is, for example, 0.5 A / dm 2 or more and 8.0 A / dm 2 or less, and the plating time is, for example, 30 seconds or more and 90 seconds or less. It is preferable that the thickness of the strike gold plating layer 22s is 0.005 micrometer or more and 0.05 micrometer or less, for example. The strike gold plated layer 22s is very thin and has a pinhole 22sa. On the other hand, as described above, even if the step of removing the passivation layer 14 described with reference to FIG. 1B is omitted, the removal of the passivation layer 14 also occurs in the gold strike plating process. The structure shown in c) can be obtained.

다음으로, 도 1의 (d)에 나타내는 바와 같이, 스트라이크 금도금층(22s) 위에 순금 도금층(22m)을 형성한다. 순금 도금층(22m)은, 예를 들면, 시안화 금도금액을 이용해 형성된다. 시안 화합물을 함유하는 금도금액(예를 들면, 일본 고순도 화학 주식회사 제품 텐페레지스트 BL)으로는, 공지된 것을 널리 이용할 수 있다. 예를 들면, pH가 6.0 이상 6.5 이하(액온 60℃ 이상 70℃ 이하)의 것이 바람직하다. 전류 밀도는 예를 들면 0.02 A/dm2 이상 0.3 A/dm2 이하이고, 도금 시간은 예를 들면 100초 이상 300초 이하이다.Next, as shown to Fig.1 (d), the pure gold plating layer 22m is formed on the strike gold plating layer 22s. The pure gold plating layer 22m is formed using a gold cyanide plating solution, for example. As the gold plating solution containing a cyan compound (for example, Tenper Resist BL manufactured by Japan High Purity Chemical Co., Ltd.), a known one can be widely used. For example, it is preferable that pH is 6.0 or more and 6.5 or less (liquid temperature 60 degreeC or more and 70 degrees C or less). The current density is, for example, 0.02 A / dm 2 or more and 0.3 A / dm 2 or less, and the plating time is, for example, 100 seconds or more and 300 seconds or less.

순금 도금층(22m)은 두껍게 형성할 필요가 없고, 스트라이크 금도금층(22s)과 순금 도금층(22m)을 합한 금도금층(22)은 핀 홀(22a)을 가져도 된다. 본 발명자의 검토에 의하면, 핀 홀을 갖지 않는 금도금층(22)을 형성하기 위해서는, 금도금층(22) 전체의 두께가 대체로 1.2㎛ 이상 필요하다. 이후에 실험예에서 설명하는 바와 같이, 금도금층(22) 전체의 두께는 접촉 저항을 충분히 낮게 할 수 있으면 되며, 적어도 0.01㎛를 넘는 것이 바람직하고, 0.05㎛ 이상인 것이 더 바람직하다. 또한, 금도금층(22)의 두께는 0.3㎛를 넘게 할 필요는 없고, 0.3㎛ 이하의 두께에서 접촉 저항을 충분히 저하시킬 수 있다. 금도금층(22)의 접촉 저항은 10 mΩ·㎠ 이하인 것이 바람직하다.It is not necessary to form the pure gold plating layer 22m thickly, and the gold plating layer 22 which combined the strike gold plating layer 22s and the pure gold plating layer 22m may have the pinhole 22a. According to the examination of the present inventors, in order to form the gold plating layer 22 which does not have a pinhole, the thickness of the whole gold plating layer 22 is generally required 1.2 micrometers or more. As will be described later in the experimental example, the thickness of the entire gold plated layer 22 may be sufficiently low in contact resistance, preferably at least 0.01 μm, and more preferably 0.05 μm or more. In addition, the thickness of the gold plated layer 22 does not need to exceed 0.3 micrometer, and the contact resistance can fully be reduced in thickness of 0.3 micrometer or less. It is preferable that the contact resistance of the gold plating layer 22 is 10 m (ohm) * cm <2> or less.

다음으로, 도 1의 (e)에 나타내는 바와 같이, 금도금층(22)이 형성된 스테인리스강 기재의 본체부(12a)에 대해 부동태화 처리를 행함으로써, 연료 전지용 세퍼레이터(20)가 얻어진다. 부동태화 처리는 금도금층이 핀 홀을 가질 때, 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층을 형성할 수 있는 조건으로 행한다. 예를 들면, 실험예에서 나타내는 바와 같이, 30℃의 30 질량%의 질산 수용액에 5분간 침지함으로써 행할 수 있다. 물론 이 조건에 한정되지 않고, 예를 들면, 50℃의 30 질량%의 질산 수용액에 약 10초간 침지해도 된다. 질산 수용액의 농도는 30 질량% 이상인 것이 바람직하다. 부동태화 처리를 행함으로써, 핀 홀(22a) 내에 노출된 스테인리스강 기재의 본체부(12a)가 부동태화되어 핀 홀(22a) 내에 스테인리스강의 부동태층(16)이 형성된다. 부동태층(16)의 두께는 일반적인 부동태층의 두께와 마찬가지로, 수 ㎚(예를 들면 4㎚) 이상이면 된다.Next, as shown to Fig.1 (e), the fuel cell separator 20 is obtained by performing the passivation process with respect to the main-body part 12a of the stainless steel base material in which the gold plating layer 22 was formed. The passivation treatment is performed under the condition that a passivation layer of stainless steel can be formed in the pin hole when the gold plated layer has the pin hole. For example, as shown in an experiment example, it can carry out by immersing for 30 minutes in 30 mass% nitric acid aqueous solution at 30 degreeC. Of course, it is not limited to this condition, For example, you may be immersed in 30 mass% nitric acid aqueous solution at 50 degreeC for about 10 second. It is preferable that the density | concentration of nitric acid aqueous solution is 30 mass% or more. By performing the passivation process, the main body part 12a of the stainless steel base material exposed in the pinhole 22a is passivated, and the passivation layer 16 of stainless steel is formed in the pinhole 22a. The thickness of the passivation layer 16 may be several nm (for example, 4 nm) or more, similarly to the thickness of a general passivation layer.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 의하면, 산성의 스트라이크 금도금액을 이용해 스트라이크 금도금층(22s)을 형성하므로, 금도금층(22)과 스테인리스강 기재(12a)의 사이에는 스테인리스강의 부동태층(14)이 거의 존재하지 않아, 금도금층(22)과 스테인리스강 기재(12a)의 밀착성을 높일 수 있다. 또한, 금도금층(22)을 형성한 다음에 부동태화 처리를 행하므로, 금도금층(22)에 핀 홀(22a)이 존재해도 핀 홀(22a) 내에 노출된 스테인리스강 기재(12a)가 부동태화되어 핀 홀(22a) 내에 스테인리스강의 부동태층(16)이 형성되는 결과, 내식성이 향상된다. 금도금층(22)은 핀 홀을 갖고 있어도 무방하기 때문에 두껍게 형성할 필요가 없으며, 금도금 공정의 처리율이 높고, 재료비도 저렴하다. 또한, 스트라이크 금도금 공정에 앞서, 스테인리스강 기재의 표면을 에칭 또는 음극 전해함으로써 부동태층을 제거해 두면, 최종적인 금도금의 마무리의 균일성을 높일 수 있다.As mentioned above, according to the manufacturing method of the fuel cell separator of embodiment which concerns on this invention, since the strike gold plating layer 22s is formed using an acidic strike gold plating liquid, the gold plating layer 22 and the stainless steel base material 12a are made. There is almost no passivation layer 14 of stainless steel in between, and the adhesion between the gold plated layer 22 and the stainless steel base material 12a can be improved. In addition, since the passivation treatment is performed after the gold plated layer 22 is formed, the stainless steel base material 12a exposed in the pin hole 22a is passivated even when the pin hole 22a is present in the gold plated layer 22. As a result, the passivation layer 16 of stainless steel is formed in the pinhole 22a, and as a result, corrosion resistance is improved. Since the gold plating layer 22 may have a pinhole, it is not necessary to form it thickly, the treatment rate of a gold plating process is high, and material cost is low. In addition, if the passivation layer is removed by etching or cathodicly electrolyzing the surface of the stainless steel substrate prior to the strike gold plating step, the uniformity of the final gold plating finish can be improved.

이하에, 실험예를 들어 본 발명에 의한 실시 형태의 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the separator for fuel cells and embodiment of the manufacturing method of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to experimental examples.

도 1의 (a)에 나타낸 스테인리스강 기재(12)로서, 오스테나이트계 스테인리스강(SUS304)으로 형성된 기재(세로 80㎜×가로 80㎜×두께 1.0㎜)를 준비했다. 이 기재의 표면을 글로 방전 발광 분광 분석법(Glow-discharge emission spectrochemical analysis)으로 분석한 결과 얻어진 농도 프로파일의 예를 도 2의 (a)에 나타낸다. 횡축은 기재 표면으로부터의 깊이, 종축은 각 원자의 농도를 원자%(at%)로 나타내고 있다. 한편, 도 2에서는 탄소, 니켈, 동, 실리콘, 망간의 결과는 생략하였다. 이하의 글로 방전 발광 분광 분석 결과에 대해서도 마찬가지이다.As the stainless steel base material 12 shown to Fig.1 (a), the base material (80 mm in length x 80 mm in width x 1.0 mm in thickness) formed from the austenitic stainless steel (SUS304) was prepared. An example of the concentration profile obtained as a result of analyzing the surface of the substrate by Glow-discharge emission spectrochemical analysis is shown in FIG. The horizontal axis represents depth from the substrate surface, and the vertical axis represents the concentration of each atom in atomic% (at%). 2, the results of carbon, nickel, copper, silicon, and manganese are omitted. The same applies to the following glow discharge emission spectroscopic analysis results.

도 2의 (a)로부터 알 수 있듯이, 이 기재(12)의 표면에는 Fe(철), Cr(크롬) 및 O(산소)가 확인되어, 산화물층이 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 이 산화물층은 주지된 바와 같이, 부동태층(14)이다. 부동태층(14)의 두께는 산소 원자 농도가 피크치의 반이 되는 깊이에서 평가하면 약 4.4㎚였다.As can be seen from Fig. 2A, Fe (iron), Cr (chromium) and O (oxygen) are confirmed on the surface of the base material 12, and it can be seen that an oxide layer is formed. This oxide layer is a passivation layer 14, as is well known. The thickness of the passivation layer 14 was about 4.4 nm when it evaluates in the depth which oxygen atom concentration becomes half of a peak value.

다음으로, 상기 기재(12)를 에칭액(염산과 질산의 혼산)에 30℃에서 5분간 침지함으로써 기재(12)의 표면을 에칭한 후, 용기에 담은 수도물에 2회 침지함으로써 에칭액을 씻어냈다. 이 기재의 표면을 글로 방전 발광 분광 분석법으로 분석한 결과의 예를 도 2의 (b)에 나타낸다. 최표면 근방의 산소 원자 농도가 도 2의 (a)보다 조금 낮고, 깊이 방향으로의 변화가 완만한 것을 제외하고, 도 2의 (a)의 농도 프로파일과 동일했다. 이로부터 에칭에 의해 부동태층(14)을 제거해도, 수세 및/또는 그 후의 공기중에서의 보존 중에 부동태층(14)이 다시 형성되었다고 생각된다. 한편, 도 2의 (b)의 농도 프로파일로부터, 상기와 같이 하여 구한 부동태층(14)의 두께는 약 6.1㎚였다.Next, the surface of the substrate 12 was etched by immersing the substrate 12 in an etching solution (mixed acid and hydrochloric acid) at 30 ° C. for 5 minutes, and then the etching solution was washed by immersing the substrate 12 twice in a tap water. An example of the result of analyzing the surface of this base material by the glow discharge emission spectroscopy is shown in FIG.2 (b). The oxygen atom concentration near the outermost surface was slightly lower than that in Fig. 2A, and was the same as the concentration profile in Fig. 2A except that the change in the depth direction was gentle. Even if the passivation layer 14 is removed by etching from this, it is thought that the passivation layer 14 was again formed during water washing and / or storage in air | atmosphere after that. In addition, the thickness of the passivation layer 14 calculated | required as mentioned above from the density | concentration profile of FIG. 2 (b) was about 6.1 nm.

또한, 에칭 및 수세를 실시한 기재에 질산을 이용해 부동태화 처리를 실시해, 얻어진 기재의 표면을 글로 방전 발광 분광 분석법으로 분석한 결과를 도 3의 (a) 및 (b)에 나타낸다. 도 3의 (a)는 10% 질산 수용액을 이용했을 때의 결과이고, 도 3의 (b)는 30% 질산 수용액을 이용했을 때의 결과이다. 도 3의 (a) 및 (b)의 농도 프로파일은 모두 도 2의 (a)의 농도 프로파일과 거의 같아, 질산에 의한 부동태화 처리에 의해 표면의 부동태층의 조성 및 두께는 변화하고 있지 않다고 생각된다. 한편, 도 3의 (a) 및 (b)의 농도 프로파일로부터, 상기와 같이 하여 구한 부동태층(14)의 두께는 각각 약 4.5㎚ 및 약 4.3㎚였다. 도 2 및 도 3의 결과로부터, 본 실험에서 이용한 기재의 표면에 형성되는 부동태층(14)의 두께는 약 4㎚∼약 6㎚의 범위에 있다고 생각된다.In addition, the result of having performed the passivation process using nitric acid to the base material which carried out the etching and water washing, and analyzed the surface of the obtained base material by the glow discharge spectroscopy method is shown to FIG. 3 (a) and (b). FIG. 3A shows the results when 10% nitric acid solution is used, and FIG. 3B shows the results when 30% nitric acid solution is used. The concentration profiles of FIGS. 3A and 3B are almost the same as those of FIG. 2A, and the composition and thickness of the passivation layer on the surface are not changed by the passivation treatment with nitric acid. do. On the other hand, the thickness of the passivation layer 14 calculated | required as mentioned above from the concentration profile of FIG.3 (a) and (b) was about 4.5 nm and about 4.3 nm, respectively. From the result of FIG. 2 and FIG. 3, it is thought that the thickness of the passivation layer 14 formed in the surface of the base material used by this experiment is in the range of about 4 nm-about 6 nm.

금도금은 산성의 스트라이크 금도금액을 이용한 스트라이크 금도금과, 시안화 금도금액을 이용한 순금 도금에 의해 행하였다. 스트라이크 금도금은 시안계에서 pH가 0.8, 온도가 35℃의 금 스트라이크 도금액(고지마 화학 약품 주식회사 제품 K-770 500 ㎖/L(2배 희석))을 이용해 전류 밀도 1 A/dm2에서 40초간 전해 도금을 행하였다. 이 조건에서 얻어지는 스트라이크 금도금층의 두께는 약 0.01㎛였다. 도금층의 두께는 특별히 언급하지 않는 이상 형광 X선 막두께 측정계를 이용해 측정한 두께이다.Gold plating was performed by strike gold plating using an acidic strike gold plating solution and pure gold plating using a cyanide gold plating solution. Strike gold plating was carried out for 40 seconds at a current density of 1 A / dm 2 using a gold strike plating solution (K-770 500 ml / L (2 times dilution) of Kojima Chemical Co., Ltd.) with a pH of 0.8 and a temperature of 35 ° C in cyanide. Plating was performed. The thickness of the strike gold plating layer obtained on this condition was about 0.01 micrometer. The thickness of a plating layer is the thickness measured using the fluorescent X-ray film thickness measuring system unless there is particular notice.

약 0.01㎛보다 두꺼운 금도금층을 형성할 때에는, 스트라이크 금도금에 이어 순금 도금을 행하였다. 순금 도금에는 pH가 6.3, 온도가 65℃의 시안화 금도금액(일본 고순도 화학 주식회사 제품 텐페레지스트 BL 200g/L, 시안화금 칼륨 8.0 g/L)을 이용하고, 전류 밀도 0.1 A/dm2에서 통전 시간을 조정함으로써 순금 도금층의 두께를 조절했다. 통전 시간 4분에서 두께가 약 0.1㎛의 순금 도금층을 얻을 수 있었다.When forming the gold plating layer thicker than about 0.01 micrometer, pure gold plating was performed following strike gold plating. Gold plating has a pH of 6.3, cyanide geumdo amount of the temperature is 65 ℃ (Japan High Purity Chemicals Co., Ltd. tenpe resist BL 200g / L, cyanide gold potassium 8.0 g / L) used, and the current density of the power application time from 0.1 A / dm 2 The thickness of the pure gold plating layer was adjusted by adjusting. A pure gold plating layer having a thickness of about 0.1 μm was obtained at a current supply time of 4 minutes.

상기의 조건을 바꾸어, 시료를 제작하고 내식성과 접촉 저항을 평가했다. 각 시료의 제작 조건과 평가 결과를 함께 하기 표 1에 나타낸다.The above conditions were changed and the sample was produced and corrosion resistance and contact resistance were evaluated. The preparation conditions and evaluation results of each sample are shown in Table 1 below.

내식성은 pH 1의 황산 수용액(80℃)에 1000 시간 침지한 후의 표면을 육안으로 관찰함으로써 평가했다. 금도금층의 부식을 확인할 수 있었던 것을 ×, 부식에는 이르지 않지만 변색이 보인 것을 △, 변색이 보이지 않은 것을 ○로 했다. 한편, ○는 실용적인 내식성을 갖고 있다.Corrosion resistance was evaluated by visually observing the surface after immersion for 1000 hours in aqueous sulfuric acid solution (80 degreeC) of pH 1. The thing which could confirm the corrosion of a gold plated layer x and which does not lead to corrosion, but which showed discoloration was (triangle | delta) and the thing which did not show discoloration was made into (circle). On the other hand, ○ has practical corrosion resistance.

접촉 저항은, 각 시료(세퍼레이터)를, 카본 페이퍼를 사이에 끼우고, 금도금을 실시한 동판(집전판)으로 10 kgf/㎠의 면압으로 협지한 상태에서, 밀리오옴 미터를 이용해 1A의 전류를 흘렸을 때의 저항값으로 평가했다. 한편, 1W 정도의 PEFC용 연료 전지에 이용하는 경우, 금도금층의 접촉 저항은 10 mΩ·㎠ 이하인 것이 바람직하고, 5 mΩ·㎠ 이하인 것이 더욱 바람직하다.The contact resistance was a current of 1 A using a Milio Ohm meter while sandwiching each sample (separator) with carbon paper interposed therebetween at a surface pressure of 10 kgf / cm 2 with a gold plated copper plate (current collector plate). It evaluated by the resistance value at the time. On the other hand, when used for a fuel cell for PEFC of about 1 W, the contact resistance of the gold plated layer is preferably 10 mΩ · cm 2 or less, and more preferably 5 mΩ · cm 2 or less.


시료
No.

sample
No.

에칭

etching

산성
스트라이크
금도금

acid
strike
gold plating

순금
도금

Pure gold
Plated

금도금층
두께
(㎛)

Gold plated layer
thickness
(탆)

부동태화
처리

Passivation
process

내식
시험

Corrosion
exam

접촉저항
(mΩ·㎠)

Contact resistance
(mΩ · ㎠)
내식
시험전
Corrosion
Before the test
내식
시험후
Corrosion
After the test
1One -- 0.10.1 -- 4.644.64 4.994.99 22 0.10.1 -- ×× 4.494.49 5.635.63 33 0.20.2 -- 4.394.39 4.944.94 44 0.10.1 10% 질산*10% nitric acid * 4.974.97 5.255.25 55 0.10.1 10% 질산10% nitric acid ×× 4.464.46 5.515.51 66 -- 0.010.01 30% 질산30% nitric acid ×× 4.634.63 5.425.42 77 0.050.05 30% 질산30% nitric acid 4.534.53 4.574.57 88 0.10.1 30% 질산30% nitric acid 4.484.48 4.514.51 99 0.20.2 30% 질산30% nitric acid 4.284.28 4.324.32

* 금도금 전에 부동태화 처리* Passivation treatment before gold plating

내식 시험전의 저항값을 보면, 모든 시료의 접촉 저항은 5 mΩ·㎠ 이하로 양호했다. 즉, 금도금층의 두께가 적어도 0.01㎛이면 접촉 저항을 충분히 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.When looking at the resistance value before a corrosion test, the contact resistance of all the samples was favorable in 5 m (ohm) * cm <2> or less. That is, it turns out that a contact resistance can fully be reduced if the thickness of a gold plating layer is at least 0.01 micrometer.

내식성에 대해 살펴보면, 에칭을 행한 후에 금도금을 실시한 시료 2의 내식성은, 에칭을 행하지 않고 금도금을 실시한 시료 1의 내식성보다 떨어진다. 시료 1의 내식성이 충분하지 않은 것은, 부동태층과 금도금층의 밀착성이 낮기 때문이다. 시료 2의 내식성이 시료 1보다 낮은 것은, 에칭에 의해 부동태층을 제거한 후에 다시 생성된 부동태층(도 2의 (b))은, 기재의 표면에 미리 형성되어 있었던 부동태층(도 2의 (a))보다 내식성이 낮기 때문이라고 생각된다. 즉, 도 2의 (a), (b)를 참조해 설명한 바와 같이, 에칭에 의해 부동태층을 제거해도 수세나 보존 중에 부동태층이 다시 형성되는데, 이 부동태층의 화학적인 안정성은 원래 기재의 표면에 형성되어 있었던 부동태층(일반적인 스테인리스강 기재의 표면은 부동태화 처리되어 있다)보다 떨어져, 이 부동태층의 내식성의 차이가 금도금층의 핀 홀로부터의 부식에 대한 내성의 차이로 나타났다고 생각된다.In terms of corrosion resistance, the corrosion resistance of Sample 2 which was plated with gold after etching was lower than that of Sample 1 which was plated without etching. The corrosion resistance of Sample 1 is not sufficient because the adhesion between the passivation layer and the gold plating layer is low. The corrosion resistance of the sample 2 is lower than that of the sample 1, the passivation layer (FIG. 2 (b)) produced again after removing the passivation layer by etching is the passivation layer previously formed on the surface of a base material (FIG. 2 (a). It seems to be because corrosion resistance is lower than)). That is, as described with reference to Figs. 2A and 2B, even if the passivation layer is removed by etching, the passivation layer is formed again during washing and preservation. The chemical stability of the passivation layer is based on the surface of the original substrate. It is thought that the difference in the corrosion resistance of this passivation layer was shown as the difference in the resistance to corrosion from the pinhole of a gold-plated layer apart from the passivation layer formed in the surface (the surface of a general stainless steel base material is passivated).

시료 4와 시료 2를 비교해 본다. 시료 4의 제조 공정은, 시료 2의 제조 프로세스에서의 에칭 공정의 뒤, 스트라이크 금도금 전에, 10% 질산에 의한 부동태화 처리를 포함하고 있다. 즉, 금도금이 실시되는 표면에 부동태화 처리가 실시되어 있다. 그 결과, 시료 4의 내식성은 시료 2보다 뛰어나지만, 시료 1과 동등하고, 충분한 수준은 아니다. 한편, 시료 4의 제조 프로세스는 특허 문헌 2에 기재된 제조 프로세스를 모의한 것이다.Compare Sample 4 and Sample 2. The manufacturing process of sample 4 includes the passivation process by 10% nitric acid after the etching process in the manufacturing process of sample 2, and before strike gold plating. That is, the passivation process is given to the surface in which gold plating is performed. As a result, although the corrosion resistance of the sample 4 is superior to the sample 2, it is equivalent to the sample 1 and is not a sufficient level. In addition, the manufacturing process of the sample 4 simulates the manufacturing process of patent document 2. As shown in FIG.

또한, 시료 3과 시료 2를 비교하면 알 수 있듯이, 금도금층의 두께를 0.2㎛로 하면, 시료 2(금도금층의 두께 0.1㎛)보다는 내식성은 개선되지만, 충분한 내식성을 얻을 수는 없다.In addition, as can be seen by comparing Sample 3 with Sample 2, when the thickness of the gold plated layer is 0.2 µm, the corrosion resistance is improved compared to Sample 2 (0.1 µm thickness of the gold plated layer), but sufficient corrosion resistance cannot be obtained.

이에 대해, 시료 7∼9(실시예)는 충분한 내식성을 갖고 있으며, 시료 7의 결과로부터 알 수 있듯이, 금도금층의 두께는 0.05㎛만 있으면 충분하다. 이들 시료의 접촉 저항은 내식 시험 후에도 거의 증대되지 않고, 매우 뛰어난 내식성을 갖고 있는 것을 알 수 있다.In contrast, Samples 7 to 9 (Examples) have sufficient corrosion resistance, and as can be seen from the results of Sample 7, the thickness of the gold plated layer is only 0.05 µm. The contact resistance of these samples hardly increases even after a corrosion test, and it turns out that it has very excellent corrosion resistance.

한편, 시료 6의 결과로부터, 금도금층의 두께가 0.01㎛ 이하이면 내식성이 낮아, 금도금층의 두께는 0.01㎛를 넘는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 또한, 시료 5의 결과로부터 알 수 있듯이, 10 질량%의 질산 수용액에서는 핀 홀 내의 스테인리스강의 부동태층을 형성하지 못하여, 질산 수용액을 이용해 핀 홀 내에 부동태층을 형성하기 위해서는 30 질량% 이상의 질산 수용액을 이용하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 핀 홀 내에서의 조성의 표면 프로파일을 측정하는 것이 곤란해 직접적인 분석 결과는 얻어지지 않았지만, 상기의 실험 결과로부터, 부동태화 처리의 조건을 조정하면, 금도금층의 핀 홀 내에 충분히 안정적인 스테인리스강의 부동태층을 형성할 수 있다는 것을 알 수 있다.On the other hand, it is understood from the results of Sample 6 that corrosion resistance is low when the thickness of the gold plated layer is 0.01 μm or less, and that the thickness of the gold plated layer exceeds 0.01 μm. In addition, as can be seen from the results of Sample 5, in the 10 mass% nitric acid solution, a passivation layer of stainless steel in the pinholes cannot be formed, and in order to form a passivation layer in the pinhole using the nitric acid solution, a 30 mass% or more nitric acid solution is used. It is understood that it is preferable to use. Although it is difficult to measure the surface profile of the composition in the pinhole, a direct analysis result was not obtained, but from the above experimental results, if the conditions of the passivation treatment were adjusted, the passivation layer of stainless steel sufficiently stable in the pinhole of the gold plated layer was obtained. It can be seen that it can form.

여기에서, 도 4의 (a) 및 (b)에 각각 시료 4와 시료 8의 표면을 글로 방전 발광 분광 분석법으로 분석한 결과를 나타낸다.Here, Fig. 4A and Fig. 4B show the results of analyzing the surfaces of Samples 4 and 8 by glow discharge emission spectroscopy, respectively.

도 4의 (a) 및 (b)의 Fe와 Cr의 농도 프로파일을 보면, Fe의 농도가 증대하기 시작한 다음에, Cr이 증대하기 시작하고 있다. 즉, 표면에 가까운 곳에는, 크롬을 실질적으로 함유하지 않는 철산화물층이 형성되고 있는 것을 알 수 있다. 이는, 도 2 및 도 3에 나타낸 기재의 표면에 형성되고 있는 부동태층에서는, 최표면에 철 및 크롬을 함유하는 산화물층이 존재하고 있는 것과 대조적이다. 즉, 시료 4 및 시료 8에서는, 금도금층과 스테인리스강 기재가 스테인리스강의 부동태층을 개재하지 않고 접촉하는 영역이 존재한다. 밀착성의 관점에서는, 금도금층과 스테인리스강 기재의 사이에 스테인리스강의 부동태층이 존재하지 않는 것이 바람직하다고 생각되지만, 적어도 부분적으로 부동태층을 개재하지 않고 금도금층과 스테인리스강 기재가 접촉하고 있으면, 밀착성은 개선된다고 생각된다.In the concentration profiles of Fe and Cr in Figs. 4A and 4B, after the Fe concentration begins to increase, Cr begins to increase. That is, it turns out that the iron oxide layer which does not contain chromium substantially is formed near the surface. This is in contrast to the presence of an oxide layer containing iron and chromium on the outermost surface in the passivation layer formed on the surface of the substrate shown in FIGS. 2 and 3. That is, in Sample 4 and Sample 8, there exists a region where the gold plated layer and the stainless steel base material contact without passing through the passivation layer of stainless steel. From the viewpoint of adhesiveness, it is considered preferable that no passivation layer of stainless steel exists between the gold plating layer and the stainless steel base material, but if the gold plating layer and the stainless steel base material are in contact without at least partially passing through the passivation layer, I think it will improve.

특히, 도 4의 (b)에 나타낸, 에칭을 행한 후, 부동태화 처리를 실시하지 않고 금도금을 실시한 시료 8이, 도 4의 (a)에 나타낸, 에칭을 실시한 후, 부동태화 처리를 실시한 다음에 금도금을 실시한 시료 4보다, 실질적으로 크롬을 함유하지 않는 철산화물층의 두께가 두껍다. 이는 부동태화 처리에 의해 형성된 부동태층보다, 부동태층을 일단 제거한 후에 수세나 공기 중의 보존에 의해 형성된 부동태층이, 산성의 스트라이크 금도금 공정에서 제거되기 쉽기 때문이라고 생각된다. 한편, 산성의 스트라이크 금도금 공정에서는, 부동태층의 전체가 제거되는 것이 아니라, 부동태층 중에서 크롬 산화물이 풍부한 부분이 제거된다고 생각된다.In particular, after performing etching, as shown in Fig. 4B, after the gold plating without the passivation treatment, the sample 8 is subjected to the passivation treatment after etching shown in Fig. 4A. The thickness of the iron oxide layer which does not substantially contain chromium is thicker than the sample 4 which carried out the gold plating to this. This is considered to be because the passivation layer formed by washing with water or preservation in air is more likely to be removed in an acid strike gold plating process than the passivation layer formed by the passivation treatment. On the other hand, in the acidic strike gold plating process, it is thought that the whole of a passivation layer is not removed but the chromium oxide rich part is removed in a passivation layer.

이상으로부터, 산성의 금 스트라이크 도금을 행하면, 스테인리스강 기재 표면의 부동태층의 크롬 산화물이 풍부한 부분이 적어도 부분적으로 제거된다. 크롬 산화물은 금도금층과의 밀착성을 저하시키므로, 크롬 산화물이 풍부한 부분을 제거함으로써, 금도금층과 스테인리스강 기재의 밀착성이 개선된다. 특히, 에칭을 행함으로써 미리 형성되어 있던 부동태층을 제거한 후에, 스트라이크 금도금을 행하는 것에 의해, 보다 효과적으로 크롬 산화물을 제거할 수 있다. 한편, 여러 가지 실험의 결과, 에칭을 행함으로써 기재 표면의 균일성이 높아져, 최종적인 금도금의 마무리의 균일성을 높일 수 있는 것도 알 수 있었다.As mentioned above, when acidic gold strike plating is performed, the chromium oxide rich part of the passivation layer on the surface of a stainless steel base material is removed at least partially. Since chromium oxide reduces adhesiveness with a gold plating layer, the adhesiveness of a gold plating layer and a stainless steel base material is improved by removing the part rich in chromium oxide. In particular, after removing the passivation layer formed in advance by etching, chromium oxide can be removed more effectively by performing strike gold plating. On the other hand, as a result of various experiments, it was also found that the uniformity of the surface of the substrate is increased by etching, thereby improving the uniformity of the final gold plating finish.

또한, 금도금층의 두께가 0.3㎛ 이하로 얇고, 핀 홀을 갖고 있는 경우라도, 금도금 후에 소정 조건으로 부동태화 처리를 행함으로써, 핀 홀 내에 노출되어 있는 스테인리스강 기재의 표면에 부동태층을 형성할 수 있으므로, 내식성을 향상시킬 수 있다. 높은 내식성을 얻기 위해서는, 30 질량% 이상의 질산 수용액을 이용하는 것이 바람직하다.In addition, even when the thickness of the gold plated layer is less than 0.3 µm and has a pinhole, the passivation treatment may be performed on the surface of the stainless steel substrate exposed in the pinhole by performing passivation treatment under predetermined conditions after the gold plating. Since it can be, corrosion resistance can be improved. In order to obtain high corrosion resistance, it is preferable to use 30 mass% or more nitric acid aqueous solution.

한편, 스트라이크 금도금 및 순금 도금은 무전해 도금이라도 되지만, 여기에서 예시한 바와 같이, 전해 도금이 바람직하다. 특히, 산성 스트라이크 금도금은 스트라이크 금도금층을 형성할 뿐만이 아니라, 하지의 부동태층의 크롬이 풍부한 부분을 제거하는 작용·효과를 갖기 때문에 전해 도금이 바람직하다.On the other hand, although strike gold plating and pure gold plating may be electroless plating, electroplating is preferable as illustrated here. In particular, the acidic strike gold plating not only forms a strike gold plating layer but also has an action and effect of removing a chromium-rich portion of the underlying passivation layer, so that electrolytic plating is preferable.

〈산업상의 이용 가능성〉&Lt; Industrial Availability &gt;

본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법에 널리 이용된다.The present invention is widely used in a fuel cell separator and a method of manufacturing the same.

12 스테인리스강 기재
12a 스테인리스강 기재의 본체부(스테인리스강 기재라고도 한다)
14 부동태층(자연히 형성된 것)
16 핀 홀 내에 형성된 부동태층
20 연료 전지용 세퍼레이터
22 금도금층
22a 핀 홀
22s 스트라이크 금도금층
22sa 스트라이크 금도금층의 핀 홀
22m 순금 도금층
12 stainless steel substrate
Body part of 12a stainless steel base (also called stainless steel base)
14 Passive layers, naturally formed
Passive layer formed in 16-pin hole
20 Fuel Cell Separator
22 gold-plated layer
22a pin hole
22s Strike Gold Plated Layer
22sa strike gold plated pinhole
22m pure gold plating layer

Claims (10)

스테인리스강 기재와,
상기 스테인리스강 기재 상에 형성되고 핀 홀을 갖는 금도금층과,
상기 핀 홀 내에 형성된 스테인리스강의 부동태층을 갖고,
상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재가 스테인리스강의 부동태층을 개재하지 않고 접촉하는 영역을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터.
Stainless steel base material,
A gold plated layer formed on the stainless steel substrate and having pin holes;
Having a passivation layer of stainless steel formed in the pin hole,
A fuel cell separator having a region in which the gold plated layer and the stainless steel substrate are in contact with each other without passing through a passivation layer of stainless steel.
제1항에 있어서,
상기 금도금층과 상기 스테인리스강 기재가, 크롬을 실질적으로 함유하지 않는 철산화물층을 개재해 접촉하는 영역을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터.
The method of claim 1,
A fuel cell separator having a region in which the gold plated layer and the stainless steel substrate are in contact with each other via an iron oxide layer substantially free of chromium.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 부동태층의 두께는 4㎚ 이상인 연료 전지용 세퍼레이터.
The method according to claim 1 or 2,
The thickness of the said passivation layer is 4 nm or more separator for fuel cells.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금도금층의 두께는 0.3㎛ 이하인 연료 전지용 세퍼레이터.
The method according to claim 1 or 2,
The thickness of the said gold plating layer is 0.3 micrometer or less of separators for fuel cells.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 금도금층의 접촉 저항이 10 mΩ·㎠ 이하인 연료 전지용 세퍼레이터.
The method according to claim 1 or 2,
The separator for fuel cells whose contact resistance of the said gold plating layer is 10 m (ohm) * cm <2> or less.
스테인리스강 기재를 준비하는 공정 a와,
상기 공정 a의 뒤에, 상기 스테인리스강 기재의 표면에 산성의 금 스트라이크 도금액을 이용해 스트라이크 금도금층을 형성하는 공정 b와,
상기 공정 b의 뒤에, 상기 스트라이크 금도금층 위에 금도금층을 형성하는 공정 c와,
상기 공정 c의 뒤에, 상기 금도금층이 핀 홀을 가질 때, 상기 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층을 형성 가능한 조건으로 부동태화 처리를 행하는 공정 d를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
Process a for preparing a stainless steel base material,
A step b of forming a strike gold plated layer on the surface of the stainless steel base material using an acidic gold strike plating solution after the step a;
A step c of forming a gold plated layer on the strike gold plated layer after the step b;
And a step d of performing a passivation process on the condition that a passivation layer of stainless steel can be formed in said pinhole when said gold plating layer has a pinhole after said step c.
제6항에 있어서,
상기 공정 d는, 30% 이상의 농도의 질산을 이용해 행해지는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
The method according to claim 6,
The said process d is a manufacturing method of the separator for fuel cells performed using nitric acid of 30% or more concentration.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 공정 a의 뒤, 상기 공정 b의 전에, 상기 스테인리스강 기재의 표면을 에칭하는 공정을 더 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
8. The method according to claim 6 or 7,
After the said process a and before the said process b, The manufacturing method of the fuel cell separator further includes the process of etching the surface of the said stainless steel base material.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 공정 c에서 형성되는 금도금층은 핀 홀을 갖고,
상기 공정 d에서, 상기 핀 홀 내에 스테인리스강의 부동태층을 형성하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
8. The method according to claim 6 or 7,
The gold plated layer formed in the step c has a pin hole,
In the said process d, the manufacturing method of the separator for fuel cells which forms a passivation layer of stainless steel in the said pinhole.
제6항 또는 제7항에 기재된 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 따라 제조된 연료 전지용 세퍼레이터.The fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of the fuel cell separator of Claim 6 or 7.
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