JP2007073370A - Intermediate plate for fuel cell, fuel cell stack, and manufacturing method of intermediate plate for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、燃料電池用中間板、燃料電池スタック、及び燃料電池用中間板の製造方法に関し、特にステンレス鋼を用いて形成する固体高分子電解質型の燃料電池用中間板に関する。 The present invention relates to an intermediate plate for a fuel cell, a fuel cell stack, and a method for manufacturing the intermediate plate for a fuel cell, and more particularly to a solid polymer electrolyte type fuel cell intermediate plate formed using stainless steel.
地球環境保護の観点から、燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないため、排気ガス等を発生することがない。また、燃料電池は騒音がほとんど発生せず、更にはエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くすることが可能である等の優れた特徴を有している。 From the viewpoint of protecting the global environment, it has been studied to use a fuel cell as a power source for a motor that operates in place of an internal combustion engine of an automobile, and to drive the automobile with this motor. Since this fuel cell does not require the use of fossil fuels that have a resource depletion problem, it does not generate exhaust gas or the like. In addition, the fuel cell has excellent characteristics such that it hardly generates noise, and further, the energy recovery efficiency can be increased as compared with other energy engines.
燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池(PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cell)は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。固体高分子電解質型燃料電池は比較的低温で作動し、かつ発電効率が高い。更には、固体高分子電解質型燃料電池は他の付帯設備と共に小型で軽量であるため、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途が見込まれている。 Fuel cells include a solid polymer electrolyte type, a phosphoric acid type, a molten carbonate type, and a solid oxide type, depending on the type of electrolyte used. One of them, the polymer electrolyte fuel cell (PEFC), uses a polymer electrolyte membrane having a proton exchange group in the molecule as an electrolyte, and saturates the polymer electrolyte membrane with water. In other words, the battery functions as a proton conductive electrolyte. A solid polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature and has high power generation efficiency. Furthermore, since the solid polymer electrolyte fuel cell is small and lightweight together with other ancillary facilities, various uses including those for mounting on electric vehicles are expected.
前記固体高分子電解質型燃料電池は、燃料電池スタックを有する。燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数個積層して両端部をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。単セルは、高分子電解質膜とその両側に接合されるアノード(水素極)とカソード(酸素極)により構成される。 The solid polymer electrolyte fuel cell has a fuel cell stack. The fuel cell stack is configured integrally by stacking a plurality of single cells serving as a basic unit for generating power by an electrochemical reaction, sandwiching both end portions with end flanges, and pressurizing and holding with fastening bolts. The single cell is composed of a polymer electrolyte membrane, an anode (hydrogen electrode) and a cathode (oxygen electrode) bonded to both sides thereof.
図14は、燃料電池スタックを形成する単セルの構成を示す断面図である。図14に示すように、単セル80は、固体高分子電解質膜81の両側に酸素極82及び水素極83を接合して一体化した膜電極接合体を有する。酸素極82及び水素極83は、反応膜84及びガス拡散層85(GDL:gas diffusion layer)を備えた2層構造であり、反応膜84は固体高分子電解質膜81に接触している。酸素極82及び水素極83の両側には、積層のために酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87が各々設置されている。そして、酸素極側セパレータ86及び水素極側セパレータ87により、酸素ガス流路、水素ガス流路及び冷却水流路が形成されている。なお、酸素極側セパレータ及び水素極側セパレータの剛性を向上させて各セパレータの変形を防止し、また、熱膨張等によるセル各部の寸法変化を吸収することを目的として、これらのセパレータの間に中間板(図示せず)を挟持した燃料電池スタックが開発されている(例えば、特許文献1参照)。 FIG. 14 is a cross-sectional view showing the configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 14, the single cell 80 has a membrane electrode assembly in which an oxygen electrode 82 and a hydrogen electrode 83 are joined and integrated on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 81. The oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83 have a two-layer structure including a reaction film 84 and a gas diffusion layer 85 (GDL: gas diffusion layer). The reaction film 84 is in contact with the solid polymer electrolyte film 81. On both sides of the oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83, an oxygen electrode side separator 86 and a hydrogen electrode side separator 87 are provided for lamination. The oxygen electrode side separator 86 and the hydrogen electrode side separator 87 form an oxygen gas channel, a hydrogen gas channel, and a cooling water channel. In order to prevent the deformation of each separator by improving the rigidity of the oxygen electrode side separator and the hydrogen electrode side separator, and to absorb the dimensional change of each part of the cell due to thermal expansion, etc., between these separators. A fuel cell stack in which an intermediate plate (not shown) is sandwiched has been developed (see, for example, Patent Document 1).
前記構成の単セル80は、固体高分子電解質膜81の両側に酸素極82、水素極83を配置して、通常、ホットプレス法により一体に接合して膜電極接合体を形成し、次に膜電極接合体の両側にセパレータ86、87を配置して製造する。前記単セル80から構成される燃料電池では、水素極83側に、水素、二酸化炭素、窒素、水蒸気の混合ガスを供給し、酸素極82側に空気及び水蒸気を供給すると、主に、固体高分子電解質膜81と反応膜84との間の接触面において電気化学反応が起こる。以下、より具体的な反応について説明する。 In the unit cell 80 having the above-described configuration, the oxygen electrode 82 and the hydrogen electrode 83 are disposed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 81, and are usually joined together by a hot press method to form a membrane electrode assembly. The separators 86 and 87 are disposed on both sides of the membrane electrode assembly. In the fuel cell composed of the single cell 80, when a mixed gas of hydrogen, carbon dioxide, nitrogen and water vapor is supplied to the hydrogen electrode 83 side and air and water vapor are supplied to the oxygen electrode 82 side, An electrochemical reaction occurs at the contact surface between the molecular electrolyte membrane 81 and the reaction membrane 84. Hereinafter, a more specific reaction will be described.
前記構成の単セル80において、酸素ガス流路及び水素ガス流路に酸素ガス及び水素ガスが各々供給されると、酸素ガス及び水素ガスが各ガス拡散層85を介して反応膜84側に供給され、各反応膜84において以下に示す反応が起こる。 In the single cell 80 configured as described above, when oxygen gas and hydrogen gas are respectively supplied to the oxygen gas channel and hydrogen gas channel, the oxygen gas and hydrogen gas are supplied to the reaction film 84 side through the gas diffusion layers 85. Then, the following reactions occur in each reaction film 84.
水素極側:H2 →2H+ +2e- ・・・式(1)
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。
Hydrogen electrode side: H 2 → 2H + + 2e − Expression (1)
Oxygen electrode side: (1/2) O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O (2)
When hydrogen gas is supplied to the hydrogen electrode 83 side, the reaction of the formula (1) proceeds to generate H + and e − . H + moves through the solid polymer electrolyte membrane 81 in a hydrated state and flows to the oxygen electrode 82 side, and e − flows from the hydrogen electrode 83 to the oxygen electrode 82 through the load 88. On the oxygen electrode 82 side, the reaction of Formula (2) proceeds by H + , e −, and the supplied oxygen gas, and electric power is generated.
前述したように、燃料電池用セパレータは各単セル間を電気的に接続する機能を有するため、電気伝導性が良く、かつガス拡散層等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。また、固体高分子型電解質膜は、スルホン酸基を多数有する高分子から形成されており、湿潤状態においてスルホン酸基をプロトン交換として用いるため、プロトン伝導性を有する。固体高分子型電解質膜は強酸性であるため、燃料電池用セパレータにはpH2〜3程度の硫酸酸性に対する耐食性が要求される。さらに、燃料電池に供給される各ガスの温度は80〜90[℃]と高温であり、また、水素極ではH+が生じるだけでなく、酸素や空気等が通過する酸素極は、標準水素極電位に対して0.6〜1[VvsSHE]程度の電位が負荷される酸化性環境下にある。このため、酸素極及び水素極と同様に、燃料電池用セパレータには強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が要求される。なお、ここで要求される耐食性とは、燃料電池用セパレータが強酸性の酸化環境下においても電気伝導性能を維持できる耐久性を意味する。つまり、カチオンが加湿水又は式(2)の反応により生成した水に溶け出すことにより、カチオンが本来プロトンの通り道となるべきスルホン酸基と結合してスルホン酸基を占有し、電解質膜の発電特性を劣化させる環境で、耐食性を測定する必要がある。 As described above, since the fuel cell separator has a function of electrically connecting each single cell, it is required to have good electrical conductivity and low contact resistance with a constituent material such as a gas diffusion layer. . The solid polymer electrolyte membrane is formed of a polymer having a large number of sulfonic acid groups, and has proton conductivity because the sulfonic acid groups are used for proton exchange in a wet state. Since the polymer electrolyte membrane is strongly acidic, the fuel cell separator is required to have corrosion resistance against sulfuric acid acidity of about pH 2-3. Further, the temperature of each gas supplied to the fuel cell is as high as 80 to 90 [° C.], and not only H + is generated at the hydrogen electrode, but the oxygen electrode through which oxygen, air, etc. pass is standard hydrogen. It is in an oxidizing environment in which a potential of about 0.6 to 1 [Vvs SHE] is loaded with respect to the extreme potential. For this reason, like the oxygen electrode and the hydrogen electrode, the fuel cell separator is required to have corrosion resistance that can withstand a strongly acidic atmosphere. The corrosion resistance required here means the durability with which the fuel cell separator can maintain its electric conductivity even in a strongly acidic oxidizing environment. In other words, the cation dissolves in the humidified water or the water generated by the reaction of the formula (2), so that the cation is bonded to the sulfonic acid group that should originally be a path for protons to occupy the sulfonic acid group, and the power generation of the electrolyte membrane Corrosion resistance needs to be measured in an environment that degrades properties.
そこで、燃料電池用セパレータには、電気伝導性が良く耐食性に優れたステンレス鋼又は工業用純チタン等のチタン材を使用する試みがされている。ステンレス鋼は、その表面にクロムを主金属元素とした酸化物、水酸化物又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。チタンも同様に、その表面に酸化チタン、水酸化チタン又はこれらの水和物等の緻密な不動態皮膜が形成されている。このため、ステンレス鋼やチタンは耐食性が良好である。 Therefore, an attempt has been made to use a titanium material such as stainless steel or industrial pure titanium having excellent electrical conductivity and excellent corrosion resistance as a fuel cell separator. Stainless steel has a dense passive film formed on its surface, such as an oxide, hydroxide or hydrate of which chromium is the main metal element. Similarly, a dense passive film such as titanium oxide, titanium hydroxide or a hydrate thereof is formed on the surface of titanium. For this reason, stainless steel and titanium have good corrosion resistance.
しかし、前記した不動態皮膜は、通常ガス拡散層として用いられるカーボンペーパとの間で接触抵抗を生じる。燃料電池内の抵抗分極による過電圧は、定置型用途ではコージェネレーション等により排熱を回収できるため、トータルとしての熱効率が向上する。一方、自動車用用途では、接触抵抗に基づく発熱ロスは冷却水を通してラジエータから外部に捨てるしかないため、接触抵抗が大きくなると発電効率の低下に繋がる。また、発電効率低下は発熱が大きくなることと等価であり、より大きな冷却系を装備する必要性が生じるため、接触抵抗の増大は解決すべき重要な課題となっている。 However, the passive film described above generates contact resistance with carbon paper that is normally used as a gas diffusion layer. The overvoltage caused by resistance polarization in the fuel cell can recover the exhaust heat by cogeneration or the like in the stationary application, thereby improving the total thermal efficiency. On the other hand, in automobile applications, heat loss due to contact resistance can only be thrown out of the radiator through the cooling water, so that if the contact resistance increases, the power generation efficiency decreases. In addition, a decrease in power generation efficiency is equivalent to an increase in heat generation, and it becomes necessary to equip a larger cooling system. Therefore, an increase in contact resistance is an important issue to be solved.
燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパ間の接触抵抗が40[mΩ・cm2]以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられている。 In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V], but the voltage that can be actually taken out decreases due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage drops as the extracted current increases. . Further, in automotive applications, since it is desired to increase the output density per unit volume / weight, it is used at a higher current density side than stationary use, for example, at a current density of 1 [A / cm 2 ]. When the current density is 1 [A / cm 2 ], it is considered that if the contact resistance between the separator and the carbon paper is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, the efficiency reduction due to the contact resistance can be suppressed.
そこで、ステンレス鋼をプレス成形した後、電極との接触面に直接金めっき層を形成した燃料電池用セパレータが提案されている(例えば、特許文献2参照)。また、ステンレス鋼を成形して燃料電池用セパレータの形状に加工した後、電極との接触により接触抵抗を生じる面の不動態皮膜を除去して、貴金属又は貴金属合金を付着させた燃料電池用セパレータが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、貴金属を燃料電池用セパレータや中間板の表面にメッキ又はコーティングさせると、製造時に手間がかかるだけではなく、素材コストもかかるという問題がある。 However, when precious metal is plated or coated on the surface of a separator for fuel cells or an intermediate plate, there is a problem that not only labor is required at the time of production but also material costs are increased.
そこで、本発明は、手間がかからずに安価なコストで製造することができる燃料電池用中間板、燃料電池スタック、及び燃料電池用中間板の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell intermediate plate, a fuel cell stack, and a method for manufacturing a fuel cell intermediate plate that can be manufactured at low cost without labor.
本発明に係る燃料電池用中間板は、前記課題を解決するためになされたものであり、燃料電池セパレータを構成するアノードセパレータとカソードセパレータとの間に挟持され、立方晶の結晶構造を有する窒化層を表面層に形成した、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から構成されたことを要旨とする。 An intermediate plate for a fuel cell according to the present invention is made in order to solve the above-mentioned problem, and is nitrided having a cubic crystal structure sandwiched between an anode separator and a cathode separator constituting the fuel cell separator. The gist of the invention is that it is composed of a base material made of a transition metal or an alloy of transition metals and having a layer formed on the surface layer.
また、本発明に係る燃料電池スタックは、前記中間板を設けたことを要旨とする。 The gist of the fuel cell stack according to the present invention is that the intermediate plate is provided.
さらに、本発明に係る燃料電池用中間板の製造方法は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材に500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を施すことにより、前記基材の表面層に窒化層を形成する燃料電池用中間板の製造方法であって、前記窒化層は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される少なくとも一種以上の遷移金属元素の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ことを要旨とする。 Furthermore, the method for producing an intermediate plate for a fuel cell according to the present invention comprises subjecting a base material made of a transition metal or a transition metal alloy to a plasma nitriding treatment at a temperature of 500 [° C.] or less, thereby providing a surface layer of the base material. A method of manufacturing an intermediate plate for a fuel cell in which a nitride layer is formed on the substrate, wherein the nitride layer is formed of metal atoms of at least one transition metal element selected from Fe, Cr, Ni, and Mo The gist is that it has an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice.
本発明に係る燃料電池用中間板によれば、アノードセパレータとカソードセパレータとの間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低い燃料電池用中間板が得られる。 According to the fuel cell intermediate plate of the present invention, a fuel cell intermediate plate having low contact resistance generated between the anode separator and the cathode separator, excellent corrosion resistance, and low cost can be obtained.
即ち、中間板は、アノードセパレータとカソードセパレータとに接触してセルで発電した電流を流すため、接触抵抗が大きいと損失が生じてセル電圧が低下する。しかし、本発明に係る中間板には窒化層が形成されているため、接触抵抗が小さくなり、セル電圧を高く保持することができる。 That is, since the intermediate plate flows the current generated by the cell in contact with the anode separator and the cathode separator, if the contact resistance is large, a loss occurs and the cell voltage decreases. However, since the nitride layer is formed on the intermediate plate according to the present invention, the contact resistance is reduced and the cell voltage can be kept high.
また、本発明に係る燃料電池スタックによれば、高性能の燃料電池用中間板を有する燃料電池スタックが得られる。 Moreover, according to the fuel cell stack according to the present invention, a fuel cell stack having a high-performance fuel cell intermediate plate can be obtained.
さらに、本発明に係る燃料電池用中間板の製造方法によれば、アノードセパレータとカソードセパレータとの間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低い燃料電池用中間板を製造することができる。 Furthermore, according to the method for manufacturing an intermediate plate for a fuel cell according to the present invention, an intermediate plate for a fuel cell having low contact resistance generated between the anode separator and the cathode separator, excellent corrosion resistance, and low cost is provided. Can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板、燃料電池スタック、及び燃料電池用中間板の製造方法について、固体高分子型燃料電池に適用した例を挙げて説明する。 Hereinafter, an intermediate plate for a fuel cell, a fuel cell stack, and a method for producing the intermediate plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described with reference to an example applied to a polymer electrolyte fuel cell.
(燃料電池用中間板を備えたセパレータ及び燃料電池スタック)
図1は本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板を備えた燃料電池スタックの外観を示す斜視図、図2は図1に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。
(Separator with fuel cell intermediate plate and fuel cell stack)
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell stack provided with an intermediate plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of the fuel cell stack shown in FIG.
図2に示すように、燃料電池スタック1は、電気化学反応により発電を行う基本単位となる膜電極接合体6と燃料電池用セパレータ3とを交互に複数個積層して構成される。単セル2は、これらの膜電極接合体6と燃料電池用セパレータ3とからなる。各単セル2は、固体高分子型電解質膜の両面に各々酸化剤極を有するガス拡散層と燃料極を有するガス拡散層とを形成して膜電極接合体6とし、膜電極接合体6の両側に燃料電池用セパレータ3を配置して、燃料電池用セパレータ3内部に酸化剤ガス流路と燃料ガス流路とを各々形成している。固体高分子型電解質膜としては、例えばスルホン酸基を有するフッ素系樹脂膜等を使用することができる。膜電極接合体6と燃料電池用セパレータ3とを積層した後、両端部にエンドフランジ4を配置して、外周部を締結ボルト5により締結して燃料電池スタック1を構成する。また、燃料電池スタック1には、各単セル2に水素ガス等の水素を含有する燃料ガスを供給するための水素供給ラインと、酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給ラインと、冷却水を供給する冷却水供給ラインが設けられている。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is configured by alternately laminating a plurality of membrane electrode assemblies 6 and fuel cell separators 3 serving as a basic unit for generating power by an electrochemical reaction. The single cell 2 includes these membrane electrode assemblies 6 and a fuel cell separator 3. Each single cell 2 forms a membrane electrode assembly 6 by forming a gas diffusion layer having an oxidant electrode and a gas diffusion layer having a fuel electrode on both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane. The fuel cell separator 3 is disposed on both sides, and an oxidant gas channel and a fuel gas channel are formed inside the fuel cell separator 3. As the polymer electrolyte membrane, for example, a fluorine resin membrane having a sulfonic acid group can be used. After laminating the membrane electrode assembly 6 and the fuel cell separator 3, the end flange 4 is disposed at both ends, and the outer peripheral portion is fastened by the fastening bolt 5 to constitute the fuel cell stack 1. The fuel cell stack 1 includes a hydrogen supply line for supplying a fuel gas containing hydrogen such as hydrogen gas to each single cell 2, an air supply line for supplying air as an oxidant gas, and cooling water. A cooling water supply line is provided.
図3は本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータ及び膜電極接合体の概念的な断面図である。 FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view of a fuel cell separator and a membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention.
図3に示すように、膜電極接合体6は、固体高分子型電解質膜7と、該固体高分子型電解質膜7の上面に形成された酸化剤極を有するガス拡散層8と、固体高分子型電解質膜7の下面に形成された燃料極を有するガス拡散層9とから構成されている。 As shown in FIG. 3, the membrane electrode assembly 6 includes a solid polymer electrolyte membrane 7, a gas diffusion layer 8 having an oxidant electrode formed on the upper surface of the solid polymer electrolyte membrane 7, A gas diffusion layer 9 having a fuel electrode formed on the lower surface of the molecular electrolyte membrane 7 is formed.
また、燃料電池用セパレータ3は、図3における上側に配置したアノードプレート90と、下側に配置したカソードプレート91と、これらのアノードプレート90及びカソードプレート91の間に挟持された中間板92とから構成されている。なお、燃料電池用セパレータ3は、膜電極接合体6に当接した状態で配設されている。 The fuel cell separator 3 includes an anode plate 90 disposed on the upper side in FIG. 3, a cathode plate 91 disposed on the lower side, and an intermediate plate 92 sandwiched between the anode plate 90 and the cathode plate 91. It is composed of The fuel cell separator 3 is disposed in contact with the membrane electrode assembly 6.
そして、アノードプレート90及びカソードプレート91には、断面略ハット状の通路が凹設されており、カソードプレート91とガス拡散層8とで画成される通路は、酸化剤の通路99に設定され、アノードプレート90と図外のガス拡散層9とで画成される通路は、燃料の通路100に設定されている。なお、これらのアノードプレート90及びカソードプレート91で画成される通路は、冷却水の通路101であり、高さ方向の中央部に中間板92が配置されている。 The anode plate 90 and the cathode plate 91 have recesses having a substantially hat-shaped cross section, and the passage defined by the cathode plate 91 and the gas diffusion layer 8 is set as an oxidant passage 99. A passage defined by the anode plate 90 and the gas diffusion layer 9 (not shown) is set as a fuel passage 100. The passage defined by the anode plate 90 and the cathode plate 91 is a cooling water passage 101, and an intermediate plate 92 is disposed at the center in the height direction.
そして、固体高分子膜7の周縁部の両面は樹脂プレート93で挟持され、燃料電池用セパレータ3の周縁部は、フレーム部材94によって挟持されている。このフレーム部材94は、アノードプレート90及びカソードプレート91の端部90a,91aを把持するフレーム本体95と、該フレーム本体95に固着されて、上下方向に突出する断面略三角状のゴム製ガスケット96,97と、フレーム本体95,95の間に挟持された液状シール剤98とから構成されている。 Then, both surfaces of the peripheral portion of the solid polymer film 7 are sandwiched by the resin plate 93, and the peripheral portion of the fuel cell separator 3 is sandwiched by the frame member 94. The frame member 94 includes a frame main body 95 that holds the end portions 90a and 91a of the anode plate 90 and the cathode plate 91, and a rubber gasket 96 having a substantially triangular cross section that is fixed to the frame main body 95 and protrudes in the vertical direction. , 97 and a liquid sealant 98 sandwiched between the frame bodies 95, 95.
そして、図4は図3に示した燃料電池用中間板の斜視図、図5は図4のA−A線による拡大断面図である。 4 is a perspective view of the fuel cell intermediate plate shown in FIG. 3, and FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view taken along line AA of FIG.
図4に示すように、中間板92は、平面視矩形状の板状部材であり、アノードプレート90及びカソードプレート91の間に挟持されることにより、各プレート90,91の剛性を向上させて変形を防止し、また、熱膨張等によるセル各部の寸法変化を吸収することを目的として配設されている。 As shown in FIG. 4, the intermediate plate 92 is a plate-like member having a rectangular shape in plan view, and is sandwiched between the anode plate 90 and the cathode plate 91 to improve the rigidity of the plates 90 and 91. It is arranged for the purpose of preventing deformation and absorbing the dimensional change of each part of the cell due to thermal expansion or the like.
中間板92は、外部に露出した上面92a、下面92b、及び側面92cの全ての面の表面層に窒化層を形成している。 The intermediate plate 92 is formed with a nitride layer on the surface layers of all of the upper surface 92a, the lower surface 92b, and the side surface 92c exposed to the outside.
即ち、図5に示すように、この中間板92は、遷移金属又は遷移金属の合金を基材として用いており、内方側に設けられた基層102と、該基層102の表層部に設けられた窒化層103とから形成されている。従って、中間板92における上面92aの表面層、下面92bの表面層、及び側面92cの表面層の全てに窒化層103が形成されている。そして、この窒化層103は、中間板92の外表面から深さ方向に形成され、立方晶の結晶構造を有している。 That is, as shown in FIG. 5, the intermediate plate 92 uses a transition metal or a transition metal alloy as a base material, and is provided on a base layer 102 provided on the inner side and a surface layer portion of the base layer 102. The nitride layer 103 is formed. Accordingly, the nitride layer 103 is formed on all of the surface layer of the upper surface 92a, the surface layer of the lower surface 92b, and the surface layer of the side surface 92c in the intermediate plate 92. The nitride layer 103 is formed in the depth direction from the outer surface of the intermediate plate 92 and has a cubic crystal structure.
このように、中間板92を、立方晶の結晶構造を有する窒化層103を表面層に形成した、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から構成したため、アノードプレート90とカソードプレート91との間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低い燃料電池用中間板92が得られる。 As described above, the intermediate plate 92 is composed of a base material made of a transition metal or an alloy of transition metals, in which the nitride layer 103 having a cubic crystal structure is formed on the surface layer. A fuel cell intermediate plate 92 having a low contact resistance, excellent corrosion resistance and low cost can be obtained.
即ち、中間板は、アノードセパレータとカソードセパレータとに接触してセルで発電した電流を流すため、接触抵抗が大きいと損失が生じてセル電圧が低下する。しかし、本発明に係る中間板には窒化層が形成されているため、接触抵抗が小さくなり、セル電圧を高く保持することができる。さらに、中間板92は、図3にて説明したように、冷却水の通路101内に配設されているため、冷却水に接触した状態になっている。従って、中間板92の表面からイオンが溶出しやすくなっており、この溶出が起こると、冷却水の電気伝導度が上昇して燃料電池スタックの外部に対する絶縁抵抗が低下する。しかし、本発明に係る中間板92には窒化層103が形成されているため、燃料電池スタックの外部に対する絶縁抵抗を高く保持することができる。 That is, since the intermediate plate flows the current generated by the cell in contact with the anode separator and the cathode separator, if the contact resistance is large, a loss occurs and the cell voltage decreases. However, since the nitride layer is formed on the intermediate plate according to the present invention, the contact resistance is reduced and the cell voltage can be kept high. Furthermore, since the intermediate plate 92 is disposed in the cooling water passage 101 as described with reference to FIG. 3, the intermediate plate 92 is in contact with the cooling water. Accordingly, ions are easily eluted from the surface of the intermediate plate 92. When this elution occurs, the electrical conductivity of the cooling water increases and the insulation resistance to the outside of the fuel cell stack decreases. However, since the nitride layer 103 is formed on the intermediate plate 92 according to the present invention, the insulation resistance to the outside of the fuel cell stack can be kept high.
また、中間板92の部位のうち、外部に露出した基材の外表面に窒化層103を形成したため、中間板92の外表面のどの部位に、アノードプレート90及びカソードプレート91が接触しても接触抵抗が低く、耐食性に優れる。 In addition, since the nitride layer 103 is formed on the outer surface of the base material exposed to the outside among the portions of the intermediate plate 92, the anode plate 90 and the cathode plate 91 are in contact with any portion of the outer surface of the intermediate plate 92. Low contact resistance and excellent corrosion resistance.
さらに、中間板92の外表面から深さ方向に形成され、立方晶の結晶構造を有する窒化層103を設ける構成としたため、窒化層中の遷移金属原子が窒素原子との間で共有性に富んだ結合を形成していることに加え、金属原子間には金属結合が形成されているため、電気伝導性に優れた燃料電池用中間板92を得ることができる。 Further, since the nitride layer 103 is formed in the depth direction from the outer surface of the intermediate plate 92 and has a cubic crystal structure, the transition metal atom in the nitride layer is rich in affinity with the nitrogen atom. In addition to forming a bond, since a metal bond is formed between metal atoms, a fuel cell intermediate plate 92 having excellent electrical conductivity can be obtained.
また、立方晶の結晶構造を有する窒化層103は、燃料電池として通常使用されるpH2〜3の強酸性雰囲気においても化学的に安定であるため耐食性に優れる。このため、アノードプレート90とカソードプレート91との間の接触抵抗を低くおさえ、強酸性雰囲気においても継続的に良好な電気伝導性を示す燃料電池用中間板92が得られる。また、従来のように、電極と接触する面に直接金メッキ層を施さなくても接触抵抗を抑えることができるため、低コスト化を実現することが可能となる。 Further, the nitride layer 103 having a cubic crystal structure is excellent in corrosion resistance because it is chemically stable even in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3 that is usually used as a fuel cell. Therefore, it is possible to obtain the fuel cell intermediate plate 92 that keeps the contact resistance between the anode plate 90 and the cathode plate 91 low and continuously exhibits good electrical conductivity even in a strongly acidic atmosphere. In addition, unlike the conventional case, the contact resistance can be suppressed without providing a gold plating layer directly on the surface in contact with the electrode, so that the cost can be reduced.
基材は、Fe、Cr、Ni及びMoの群から選ばれる少なくとも一種以上の金属元素を含むステンレス鋼であることが好ましい。このような元素を含有するステンレス鋼として、オーステナイト系、オーステナイト・フェライト系、析出硬化系のステンレス鋼が挙げられる。これらの中でも、基材は、特にオーステナイト系ステンレス鋼から形成することが好ましい。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、SUS304、SUS310S、SUS316L、SUS317J1、SUS317J2、SUS321、SUS329J1、SUS836等が挙げられる。 The base material is preferably stainless steel containing at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni and Mo. Examples of stainless steels containing such elements include austenitic, austenitic / ferrite, and precipitation hardening stainless steels. Among these, the base material is preferably formed from austenitic stainless steel. Examples of the austenitic stainless steel include SUS304, SUS310S, SUS316L, SUS317J1, SUS317J2, SUS321, SUS329J1, and SUS836.
立方晶の結晶構造は、より具体的には、Fe(鉄)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、Mo(モリブデン)の群から選ばれる少なくとも一種以上の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型の結晶構造であることが好ましい。 More specifically, the crystal structure of the cubic crystal is a face-centered cubic formed by at least one metal atom selected from the group consisting of Fe (iron), Cr (chromium), Ni (nickel), and Mo (molybdenum). It is preferably an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of the unit cell of the lattice.
図6は、M4N型の結晶構造を示している。 FIG. 6 shows an M 4 N type crystal structure.
図6に示すように、M4N型の結晶構造20は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21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22が配置された構造である。このM4N型の結晶構造20において、Mは、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される遷移金属原子21を表し、Nは窒素原子22を表す。窒素原子22はM4N型の結晶構造20の単位胞中心の八面体空隙の1/4を占有する。すなわち、M4N型の結晶構造20は、遷移金属原子21の面心立方格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子22が侵入した侵入型固溶体であり、立方晶の空間格子で表すと、窒素原子22は各単位胞の格子座標(1/2,1/2,1/2)に位置する。M4N型の結晶構造とすることにより、遷移金属原子21間の金属結合を維持したまま、遷移金属原子21と窒素原子22との間で強い共有結合性を示す。 As shown in FIG. 6, the M 4 N-type crystal structure 20 has an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms 21 selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. In which nitrogen atoms 22 are arranged. In the M 4 N type crystal structure 20, M represents a transition metal atom 21 selected from Fe, Cr, Ni, and Mo, and N represents a nitrogen atom 22. The nitrogen atom 22 occupies a quarter of the octahedral void at the center of the unit cell of the M 4 N type crystal structure 20. That is, the M 4 N-type crystal structure 20 is an interstitial solid solution in which nitrogen atoms 22 invade into octahedral voids at the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice of transition metal atoms 21, and is represented by a cubic crystal lattice. The nitrogen atoms 22 are located at the lattice coordinates (1/2, 1/2, 1/2) of each unit cell. By adopting the M 4 N type crystal structure, strong covalent bonding is exhibited between the transition metal atom 21 and the nitrogen atom 22 while maintaining the metal bond between the transition metal atoms 21.
また、このM4N型の結晶構造20では、遷移金属原子M21はFeを主体としていることが好ましいが、FeがCr、Ni、Moなどの他の遷移金属原子と一部置換した合金であっても良い。 In the M 4 N-type crystal structure 20, the transition metal atom M 21 is preferably mainly composed of Fe, but Fe is an alloy partially substituted with other transition metal atoms such as Cr, Ni, and Mo. May be.
そして、このM4N型の結晶構造では、高密度の転位や双晶を伴い、硬さも1000[HV]以上と高く、窒素が過飽和に固溶したfccまたはfct構造の窒化物であると考えられている(安丸、蒲池;日本金属学会誌,50,pp362−368,1986)。そして、表面に近いほど窒素濃度が高いことや、CrNが主成分とならないため、耐食性に有効なCrが減少せずに窒化後も耐食性が保たれる。このように、窒化層が少なくともFe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の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場合には、pH2〜3の強酸性雰囲気における耐食性を一段と優れたものとすることが可能となる。 The M 4 N type crystal structure is considered to be a fcc or fct structure nitride in which high hardness is 1000 [HV] or more accompanied by high density dislocations and twins, and nitrogen is supersaturated in a solid solution. (Yasumaru, Tsugaike; Journal of the Japan Institute of Metals, 50, pp 362-368, 1986). Further, the closer to the surface, the higher the nitrogen concentration, and CrN is not a main component, so that Cr effective for corrosion resistance does not decrease and corrosion resistance is maintained even after nitriding. Thus, nitrogen atoms are arranged in octahedral voids in the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice in which the nitride layer is formed of at least one or more transition metal atoms selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo. In the case of having an M 4 N type crystal structure, the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3 can be further improved.
なお、窒化層の厚さは基材表面に厚さ0.5〜5[μm]の範囲で形成されていることが好ましい。この場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れる。なお、窒化層の厚さが0.5[μm]を下回る場合には、窒化層と基材との間に亀裂が発生したり、窒化層と基材との密着強度が不足することにより長時間使用すると窒化層が基材との界面から剥がれ易くなるため長時間の使用では充分な耐食性が得られにくくなる。また、窒化層の厚さが5[μm]を上回る場合には、窒化層の厚さの増大とともに窒化層内の応力が過大になって窒化層に亀裂が発生し、燃料電池用セパレータに孔食が発生し易くなり、耐食性の向上に寄与しにくくなる。 In addition, it is preferable that the thickness of the nitride layer is formed in the range of 0.5-5 [micrometers] in the base material surface. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent. If the thickness of the nitride layer is less than 0.5 [μm], cracks may occur between the nitride layer and the substrate, or the adhesion strength between the nitride layer and the substrate may be insufficient. When used for a long time, the nitrided layer easily peels off from the interface with the base material, so that it is difficult to obtain sufficient corrosion resistance when used for a long time. Further, when the thickness of the nitride layer exceeds 5 [μm], as the thickness of the nitride layer increases, the stress in the nitride layer becomes excessive and cracks occur in the nitride layer, resulting in holes in the fuel cell separator. Corrosion tends to occur, and it becomes difficult to contribute to improvement of corrosion resistance.
さらに、窒化層の極表面の窒素量が10[at%]以上かつ酸素量が35[at%]以下であることが好ましい。ここで、窒化層の極表面とは、窒化層の最表面から3〜4[nm]の深さ、つまり原子数十層程度の深さの原子層をさす。また、最表面とは、窒化層の最外部の原子一層をさす。遷移金属の表面に吸着した酸素分子の被覆率が高くなると、遷移金属原子と酸素原子との間に明瞭な結合が形成する。これが遷移金属原子の酸化である。このような遷移金属表面の酸化は、まず最外部の第一原子層が酸化されることによって起こる。第一原子層の酸化が終わると、次に、第一原子層へ吸着した酸素が遷移金属内の自由電子をトンネル効果によって受け取り、酸素が負イオンになる。そして、この負イオンによる強い局部電場のために、遷移金属イオンが遷移金属内部から表面上に引っ張り出され、引っ張り出された遷移金属イオンが酸素原子と結合する。すなわち二層目の酸化膜が生成する。このような反応が次から次へと起こって酸化膜が厚くなっていく。このように、窒化層中の酸素量が35[at%]より多い場合には、絶縁性の酸化膜が形成されやすくなる。これに対し、このように、窒化層の極表面の窒素量が10[at%]以上かつ酸素量が35[at%]以下である場合には、酸化膜の成長を抑制できてカーボンペーパとの間の接触抵抗を低く抑えることが可能となり、かつ、強酸性雰囲気における耐食性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。 Furthermore, it is preferable that the nitrogen amount on the extreme surface of the nitrided layer is 10 [at%] or more and the oxygen amount is 35 [at%] or less. Here, the extreme surface of the nitride layer refers to an atomic layer having a depth of 3 to 4 nm from the outermost surface of the nitride layer, that is, a depth of several tens of layers. Further, the outermost surface refers to the outermost atomic layer of the nitride layer. When the coverage of oxygen molecules adsorbed on the surface of the transition metal is increased, a clear bond is formed between the transition metal atom and the oxygen atom. This is the oxidation of transition metal atoms. Such oxidation of the transition metal surface first occurs when the outermost first atomic layer is oxidized. When the oxidation of the first atomic layer is completed, next, oxygen adsorbed on the first atomic layer receives free electrons in the transition metal by the tunnel effect, and oxygen becomes negative ions. Then, due to the strong local electric field due to the negative ions, transition metal ions are pulled out from the inside of the transition metal onto the surface, and the pulled transition metal ions are combined with oxygen atoms. That is, a second oxide film is formed. Such a reaction occurs from one to the next, and the oxide film becomes thicker. Thus, when the amount of oxygen in the nitride layer is greater than 35 [at%], an insulating oxide film is likely to be formed. On the other hand, when the nitrogen amount on the extreme surface of the nitride layer is 10 [at%] or more and the oxygen amount is 35 [at%] or less, the growth of the oxide film can be suppressed, and the carbon paper It is possible to suppress the contact resistance between the two, and it is possible to obtain a fuel cell separator excellent in corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere.
また、窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が15[at%]以上かつ酸素量が26[at%]以下であることが好ましく、更には窒素量が18[at%]以上かつ酸素量が22[at%]以下であることがより好ましい。この場合には、強酸性雰囲気における耐食性に優れる。なお、この範囲からはずれる場合には、セパレータと電極間で発生する接触抵抗が高くなり、燃料電池スタックを構成する単セル1枚あたりの接触抵抗値が40[mΩ・cm2]を超え、発電性能が悪化するという不具合がある。 Further, at a depth of 10 [nm] from the outermost surface of the nitride layer, the nitrogen amount is preferably 15 [at%] or more and the oxygen amount is 26 [at%] or less, and further the nitrogen amount is 18 [at%]. More preferably, the oxygen content is 22 [at%] or less. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent. In addition, when it deviates from this range, the contact resistance generated between the separator and the electrode becomes high, the contact resistance value per single cell constituting the fuel cell stack exceeds 40 [mΩ · cm 2 ], and power generation There is a problem that performance deteriorates.
さらに、窒化層の最表面から100[nm]〜200[nm]深さにおいて、窒素量が16[at%]以上かつ酸素量が21[at%]以下であることが好ましい。この場合には、窒化層中の窒素原子のケミカルポテンシャルを高めて、遷移金属原子の活量をより一層小さく抑えた状態で遷移金属原子が窒素原子と化合物を形成すると、遷移金属原子の自由エネルギーが下がり、遷移金属原子の酸化に対する反応性を低くすることができ、遷移金属原子が化学的に安定する。このため、酸素原子は受け取る自由電子がなくなり、遷移金属原子を酸化しなくなるため酸化膜の成長を抑えることができ、耐食試験後の接触抵抗を低く抑えることが可能となる。 Furthermore, it is preferable that the nitrogen amount is 16 [at%] or more and the oxygen amount is 21 [at%] or less at a depth of 100 [nm] to 200 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. In this case, if the chemical potential of the nitrogen atom in the nitride layer is increased and the transition metal atom forms a compound with the nitrogen atom in a state where the activity of the transition metal atom is further reduced, the free energy of the transition metal atom , The reactivity of the transition metal atom with respect to oxidation can be lowered, and the transition metal atom is chemically stabilized. For this reason, oxygen atoms receive no free electrons and the transition metal atoms are not oxidized, so that the growth of the oxide film can be suppressed, and the contact resistance after the corrosion resistance test can be suppressed low.
このように、前記した構成を採用したことにより、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板92は耐食性に優れている。そして、低コストで生産性が良好であると共に、隣接するガス拡散電極等の構成材料との接触抵抗が低く、燃料電池の発電性能の良い燃料電池用中間板92を得ることが可能となる。また、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタックは、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板92を用いたことにより、発電性能を損なうことなく高い発電効率を維持できると共に、小型化及び低コスト化を実現することが可能となる。 Thus, by adopting the above-described configuration, the fuel cell intermediate plate 92 according to the embodiment of the present invention is excellent in corrosion resistance. In addition, it is possible to obtain a fuel cell intermediate plate 92 that is low in cost, has good productivity, has low contact resistance with a constituent material such as an adjacent gas diffusion electrode, and has good power generation performance of the fuel cell. Further, the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention can maintain high power generation efficiency without impairing the power generation performance by using the fuel cell intermediate plate 92 according to the embodiment of the present invention. And cost reduction can be realized.
(燃料電池用中間板の製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板92の製造方法について説明する。この燃料電池用中間板92の製造方法は、燃料又は酸化剤の通路が形成された遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材に500[℃]以下の温度で窒化処理を施す窒化処理により、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される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を形成する工程を有することを特徴とする。
(Manufacturing method of intermediate plate for fuel cell)
Next, a method for manufacturing the fuel cell intermediate plate 92 according to the embodiment of the present invention will be described. The method of manufacturing the fuel cell intermediate plate 92 includes a nitriding treatment in which a base material made of a transition metal or a transition metal alloy in which a fuel or oxidant passage is formed is subjected to nitriding treatment at a temperature of 500 [° C.] or less. Nitride layer having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in an octahedral void at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms selected from Fe, Cr, Ni, and Mo It has the process of forming.
ステンレス鋼の表面に高温で窒化処理を施すと、窒素が基材中のCrと結びつき、主としてNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化物を析出するために燃料電池用中間板92の耐食性が低下する。これに対し、500[℃]以下の温度で窒化処理を施すと基材表面には、主としてNaCl型の結晶構造を有するCrN等の窒化化合物ではなく、Fe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の金属原子によって形成された面心立方格子または面心正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結晶構造が形成される。この結晶構造は、窒化層の中でも特に耐食性に富むため、500[℃] 以下の低温で窒化処理を施すことにより燃料電池用中間板92の耐食性が向上する。また、各プレート90,91と中間板92との接触抵抗を低く抑えることができ、燃料電池の発電効率を維持でき、優れた耐久信頼性を有する燃料電池用中間板92を低コストにより得ることができる。 When the surface of the stainless steel is subjected to nitriding treatment at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and mainly nitride such as CrN having a NaCl-type crystal structure is deposited, so that the corrosion resistance of the fuel cell intermediate plate 92 is reduced. descend. On the other hand, when nitriding is performed at a temperature of 500 [° C.] or lower, the surface of the substrate is not mainly a nitride compound such as CrN having a NaCl type crystal structure, but selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo A crystal structure is formed in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice or a face-centered tetragonal lattice formed of at least one metal atom. Since this crystal structure is particularly rich in corrosion resistance among the nitrided layers, the corrosion resistance of the fuel cell intermediate plate 92 is improved by performing nitriding at a low temperature of 500 [° C.] or less. In addition, the contact resistance between the plates 90 and 91 and the intermediate plate 92 can be kept low, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained, and the fuel cell intermediate plate 92 having excellent durability and reliability can be obtained at low cost. Can do.
なお、窒化温度が350[℃]を下回る場合には、この結晶構造を有する窒化層を得るためには長時間の処理を必要とするために生産性が悪化する。このため、窒化処理は350〜500[℃]の範囲で、より好ましくは350〜500[℃]で行うのが好ましい。 Note that when the nitriding temperature is lower than 350 [° C.], it takes a long time to obtain a nitrided layer having this crystal structure, and the productivity deteriorates. Therefore, the nitriding treatment is preferably performed in the range of 350 to 500 [° C.], more preferably 350 to 500 [° C.].
また、窒化処理は、プラズマ窒化法であることが好ましい。窒化処理にはガス窒化法、ガス軟窒化法、塩浴法、プラズマ窒化法などを利用することが可能である。ガス軟窒化法は窒化処理中の酸素分圧が高いため窒化層中の酸素量が高くなる。これに対し、窒化処理のうち、プラズマ窒化法は、被処理物を陰極とし、直流電圧を印加して発生するグロー放電によって窒素ガスをイオン化し、イオン化した窒素が被処理物の表面へ高速加速衝突することで窒化する方法である。このため、プラズマ窒化法では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により被処理物であるステンレス鋼表面の不動態皮膜を容易に除去しつつ窒化するためステンレス鋼に適した窒化方法であり、かつ非平衡反応によって基材中に窒素イオンを浸透させるために、前記結晶構造を短時間で容易に得ることができ、耐食性が向上する。 The nitriding treatment is preferably a plasma nitriding method. For the nitriding treatment, a gas nitriding method, a gas soft nitriding method, a salt bath method, a plasma nitriding method, or the like can be used. Since the gas soft nitriding method has a high oxygen partial pressure during nitriding, the amount of oxygen in the nitrided layer is high. In contrast, plasma nitriding is a nitriding process that uses a workpiece as a cathode, ionizes nitrogen gas by glow discharge generated by applying a DC voltage, and the ionized nitrogen accelerates rapidly to the surface of the workpiece. This is a method of nitriding by collision. For this reason, the plasma nitriding method is a nitriding method suitable for stainless steel because nitriding is performed while easily removing the passive film on the surface of the stainless steel, which is the object to be processed, by the sputtering action by ion bombardment, and by non-equilibrium reaction. Since the nitrogen ions are infiltrated into the substrate, the crystal structure can be easily obtained in a short time, and the corrosion resistance is improved.
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池用中間板の製造方法に用いる窒化装置の構成を図7に基づいて説明する。図7は、本実施形態の燃料電池用中間板の製造方法に使用される窒化装置の構成を示す側面模式図である。 Next, the configuration of the nitriding apparatus used in the method for manufacturing the fuel cell intermediate plate according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a schematic side view showing the configuration of the nitriding apparatus used in the method for manufacturing the fuel cell intermediate plate of the present embodiment.
図7に示すように、窒化装置30は、バッチ式の窒化炉31と、この窒化炉31に雰囲気ガスを供給するガス供給装置32と、窒化炉31内でプラズマを発生させるプラズマ電極33a、33b及びこれらの電極33a、33bに直流電圧を供給する直流電源33と、窒化炉31内のガスを排出するポンプ34と、窒化炉31内の温度を検知する温度センサ37とを含んでいる。窒化炉31は内壁31a及び外壁31bを有し、内壁31aの天井部31cには燃料電池用中間板の形状に加工したステンレス鋼箔44を吊下するステンレス製のハンガ36が設けられる。ガス供給装置32は、ガス室38とガス供給管路39とを有し、ガス室38には開口部が設けられ、この開口部にはそれぞれガス供給弁が設置され、H2ガス、N2ガス、Arガスが供給されている。窒化炉31の天井部31cには、ガス供給管路39の他端と連通する開口31dを有する。ガス供給管路39にはガス供給弁が設けられている。窒化炉31内のガス圧は、窒化炉31の底部31eに設けられたガス圧センサ40によって検知される。窒化炉31には冷却水流路(不図示)が設けられ、冷却水は窒化炉31の外壁31bに設けられた開口31fから冷却水流路に流入し、開口31gから流出する。開口31fには冷却水供給弁が設けられ、冷却水の流量を調節する。ポンプ34は、上記底部31eに設けられた開口31hと連通する排出管路41と接続される。温度センサ37は、窒化炉31の外壁31bに設けられた設置口31iに設置される。 As shown in FIG. 7, the nitriding apparatus 30 includes a batch type nitriding furnace 31, a gas supply apparatus 32 that supplies an atmospheric gas to the nitriding furnace 31, and plasma electrodes 33 a and 33 b that generate plasma in the nitriding furnace 31. And a DC power source 33 for supplying a DC voltage to the electrodes 33a and 33b, a pump 34 for discharging the gas in the nitriding furnace 31, and a temperature sensor 37 for detecting the temperature in the nitriding furnace 31. The nitriding furnace 31 has an inner wall 31a and an outer wall 31b, and a stainless hanger 36 for suspending a stainless steel foil 44 processed into the shape of an intermediate plate for a fuel cell is provided on the ceiling 31c of the inner wall 31a. The gas supply device 32 includes a gas chamber 38 and a gas supply conduit 39. The gas chamber 38 is provided with an opening, and a gas supply valve is provided in each of the openings, and H 2 gas, N 2 Gas and Ar gas are supplied. The ceiling portion 31 c of the nitriding furnace 31 has an opening 31 d that communicates with the other end of the gas supply conduit 39. The gas supply line 39 is provided with a gas supply valve. The gas pressure in the nitriding furnace 31 is detected by a gas pressure sensor 40 provided at the bottom 31 e of the nitriding furnace 31. The nitriding furnace 31 is provided with a cooling water flow path (not shown), and the cooling water flows into the cooling water flow path from the opening 31f provided in the outer wall 31b of the nitriding furnace 31, and flows out from the opening 31g. A cooling water supply valve is provided in the opening 31f to adjust the flow rate of the cooling water. The pump 34 is connected to a discharge pipe 41 communicating with an opening 31h provided in the bottom 31e. The temperature sensor 37 is installed in an installation port 31 i provided in the outer wall 31 b of the nitriding furnace 31.
窒化装置30には、グロー放電のために操作盤43から制御される直流電源33の他に、バイアス用のポテンショメータ35が設けられている。直流電源33は陽(+)極33aが窒化炉31の内壁31aに接続され、陰(−)極33bが接地されている。ポテンショメータ35は、バイアス用直流電源端子35cと接地回路35dとの間の電位差を、可動接触子により0[V]からバイアス電圧の範囲で分圧し、それにより得た電圧をバイアス回路35aを介して各ステンレス鋼箔44に供給する。直流電源33は操作盤43からの制御信号によりオン、オフされる。ポテンショメータ35は、操作盤43からバイアス制御回路35bを介してバイアス制御信号が供給され、この制御信号に応じて可動接触子が摺動する。従って、各ステンレス鋼箔44は、内壁31aに対し、直流電源33の端子間電圧と、可動接触子を介して供給されるバイアス電圧とを加えた電圧差を有する。なお、ガス供給装置32及びガス圧センサ40も、操作盤43によって制御される。 The nitriding device 30 is provided with a bias potentiometer 35 in addition to the DC power source 33 controlled from the operation panel 43 for glow discharge. The DC power supply 33 has a positive (+) electrode 33 a connected to the inner wall 31 a of the nitriding furnace 31 and a negative (−) electrode 33 b grounded. The potentiometer 35 divides the potential difference between the bias DC power supply terminal 35c and the ground circuit 35d by a movable contact in the range of 0 [V] to the bias voltage, and the obtained voltage is passed through the bias circuit 35a. Supply to each stainless steel foil 44. The DC power source 33 is turned on / off by a control signal from the operation panel 43. The potentiometer 35 is supplied with a bias control signal from the operation panel 43 via the bias control circuit 35b, and the movable contact slides in accordance with the control signal. Accordingly, each stainless steel foil 44 has a voltage difference with respect to the inner wall 31a, which is obtained by adding the voltage between the terminals of the DC power supply 33 and the bias voltage supplied via the movable contact. The gas supply device 32 and the gas pressure sensor 40 are also controlled by the operation panel 43.
プラズマ窒化には窒素ガス及び水素ガスを使用し、窒素ガス及び水素ガスを放電させた低温非平衡プラズマ中においてステンレス鋼材にマイナスのバイアス電圧をかけることにより、ステンレス鋼材を400〜500[℃]の温度で窒化を行うことが好ましい。プラズマ窒化処理では、イオン衝撃によるスパッタリング作用により金属材料表面の不動態皮膜を容易に除去できる。一方、通常使用されるガス窒化や塩浴窒化を用いて窒化処理を行った場合には、窒化層の数〜数十[nm]オーダの最表層では酸化が起きて絶縁性酸化物が形成されるため、燃料電池のガス拡散層として通常使用されるカーボンペーパとの間の接触抵抗が増大する。これに対し、本発明のようにプラズマ窒化の手法を用いた窒化処理では、金属材料表面の酸素を除去しながら窒化反応を進めることができるため、窒化後の金属材料の最表層の酸素レベルを十分に低く抑えることが可能となる。さらに、カーボンペーパとの間の接触抵抗を、燃料電池として好適となるように低い値に維持することが可能となる。 Nitrogen gas and hydrogen gas are used for plasma nitriding, and a negative bias voltage is applied to the stainless steel material in a low temperature non-equilibrium plasma in which the nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. Nitriding is preferably performed at a temperature. In the plasma nitriding treatment, the passive film on the surface of the metal material can be easily removed by the sputtering action by ion bombardment. On the other hand, when nitriding is performed using gas nitriding or salt bath nitriding, which is commonly used, oxidation occurs on the outermost layer of the order of several to several tens [nm] of the nitrided layer to form an insulating oxide. Therefore, the contact resistance with the carbon paper normally used as the gas diffusion layer of the fuel cell increases. On the other hand, in the nitriding treatment using the plasma nitriding method as in the present invention, the nitriding reaction can proceed while removing oxygen on the surface of the metal material. It becomes possible to keep it low enough. Furthermore, the contact resistance with the carbon paper can be maintained at a low value so as to be suitable as a fuel cell.
また、プラズマ窒化処理をする際の処理条件は、温度400〜500[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比N2:H2=3:7〜7:3、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とすることが好ましい。窒化処理条件を本範囲に規定したのは、処理時間が1[分]未満になると窒化層が形成されないからであり、逆に、処理時間が60[分]を超えると製造コストが高騰するからである。さらに、ガス混合比を本範囲に規定したのは、ガス中の窒素の割合が減少すると窒化層を形成することができないからであり、逆に、窒素の割合が増大すると還元剤として作用する水素量が減少して、基材表面が酸化されてしまうからである。このような処理条件下でプラズマ窒化処理をすることにより、M4N型の結晶構造を有する窒化層を基材表面に形成することができる。 Further, the processing conditions for plasma nitriding are as follows: temperature 400 to 500 [° C.], processing time 10 to 60 [min], gas mixing ratio N 2 : H 2 = 3: 7 to 7: 3, processing pressure 3 -7 [Torr] (= 399 to 931 [Pa]) is preferable. The reason why the nitriding conditions are defined in this range is that the nitrided layer is not formed when the processing time is less than 1 [minute], and conversely, the manufacturing cost increases when the processing time exceeds 60 [minute]. It is. Furthermore, the reason why the gas mixture ratio is defined within this range is that a nitride layer cannot be formed when the nitrogen ratio in the gas decreases, and conversely, hydrogen that acts as a reducing agent when the nitrogen ratio increases. This is because the amount is reduced and the surface of the base material is oxidized. By performing plasma nitriding under such processing conditions, a nitride layer having an M 4 N type crystal structure can be formed on the substrate surface.
このように、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板の製造方法によれば、簡便な操作により、酸化性環境下での低抵触抵抗値を維持し、耐食性に優れ、かつ低コスト化を実現した燃料電池用中間板92を製造することが可能となる。 As described above, according to the method for manufacturing an intermediate plate for a fuel cell according to the embodiment of the present invention, a low resistance value in an oxidizing environment is maintained, corrosion resistance is excellent, and the cost is low by a simple operation. Thus, it becomes possible to manufacture the intermediate plate 92 for a fuel cell that has been realized.
(燃料電池車両)
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た燃料電池電気自動車を挙げて説明する。
(Fuel cell vehicle)
As an example of the fuel cell vehicle according to the embodiment of the present invention, a fuel cell electric vehicle using the fuel cell stack according to the embodiment of the present invention as a power source will be described.
図8は、燃料電池スタックを搭載した燃料電池電気自動車の外観を示す図であり、図8(a)は燃料電池電気自動車の側面図、図8(b)は燃料電池電気自動車の平面図である。 8A and 8B are views showing the appearance of a fuel cell electric vehicle equipped with a fuel cell stack. FIG. 8A is a side view of the fuel cell electric vehicle, and FIG. 8B is a plan view of the fuel cell electric vehicle. is there.
図8(b)に示すように、車体51の前方には、左右のフロントサイドメンバとフードリッジのほか、フロントサイドメンバを含む左右のフードリッジ同士を互いに連結するダッシュロア部材をそれぞれ組み合わせて溶接接合したエンジンコンパートメント部52を形成している。図8(a)及び(b)に示す燃料電池電気自動車50では、エンジンコンパートメント部52内に燃料電池スタック1を搭載している。 As shown in FIG. 8B, in front of the vehicle body 51, in addition to the left and right front side members and the hood ridge, a dash lower member for connecting the left and right hood ridges including the front side member to each other is combined and welded. A joined engine compartment 52 is formed. In the fuel cell electric vehicle 50 shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b), the fuel cell stack 1 is mounted in the engine compartment 52.
本発明の実施の形態に係る燃料電池中間板92を適用した発電効率の高い燃料電池スタック1を自動車等の移動体車両に搭載することにより、燃料電池電気自動車50の燃費向上を図ることができる。また、小型化した軽量の燃料電池スタック1を車両に搭載することにより、車両重量を低減して省燃費化を図ることができ、走行距離の長距離化を図ることができる。さらに、小型化した燃料電池を移動体車両等に搭載することにより、車室内空間をより広く活用することができ、スタイリングの自由度を高めることができる。 By mounting the fuel cell stack 1 having high power generation efficiency to which the fuel cell intermediate plate 92 according to the embodiment of the present invention is applied to a mobile vehicle such as an automobile, the fuel efficiency of the fuel cell electric vehicle 50 can be improved. . In addition, by mounting the miniaturized lightweight fuel cell stack 1 on the vehicle, the vehicle weight can be reduced to save fuel, and the travel distance can be increased. Furthermore, by mounting a miniaturized fuel cell on a mobile vehicle or the like, the vehicle interior space can be used more widely, and the degree of freedom in styling can be increased.
なお、燃料電池車両の一例として電気自動車を挙げたが、本発明は電気自動車等の車両に限定されるものではなく、電気エネルギが要求される航空機その他の機関にも適用することが可能である。 In addition, although the electric vehicle was mentioned as an example of a fuel cell vehicle, this invention is not limited to vehicles, such as an electric vehicle, It can apply also to the aircraft and other engines in which electric energy is requested | required. .
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池用中間板92の実施例1〜実施例6及び比較例1〜比較例5について説明する。これらの実施例は、本発明に係る燃料電池用中間板92の有効性を調べたもので、異なる原料に対して異なる条件下で処理して各試料を調製したものであり、例示した実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 5 of the intermediate plate 92 for a fuel cell according to the embodiment of the present invention will be described. In these examples, the effectiveness of the intermediate plate 92 for a fuel cell according to the present invention was examined. Each sample was prepared by treating different raw materials under different conditions. It is not limited to.
<試料の調製>
各実施例及び比較例では、表1に示すように、基材として、板厚0.1[mm]の、JIS規格のオーステナイト系ステンレス鋼(SUS304、SUS316、SUS316L、SUS310)、のそれぞれの光輝焼鈍(BA)材を用いた。これらの基材を脱脂洗浄後、両面にプラズマ窒化処理(直流電流グロー放電によるプラズマ窒化処理)を施した。この表1に示すように、プラズマ窒化条件は、処理温度350〜550[℃]、処理時間10〜60[分]、ガス混合比を実施例1〜6ではN2:H2=3:7〜7:3とし、処理圧力3〜7[Torr](=399〜931[Pa])とした。
In each of Examples and Comparative Examples, as shown in Table 1, the brightness of each JIS standard austenitic stainless steel (SUS304, SUS316, SUS316L, SUS310) having a thickness of 0.1 [mm] as a base material is shown. An annealed (BA) material was used. After these substrates were degreased and cleaned, plasma nitriding treatment (plasma nitriding treatment by direct current glow discharge) was performed on both surfaces. As shown in Table 1, the plasma nitriding conditions are as follows: the processing temperature is 350 to 550 [° C.], the processing time is 10 to 60 [min], and the gas mixing ratio is N 2 : H 2 = 3: 7 in Examples 1 to 6. To 7: 3, and a processing pressure of 3 to 7 [Torr] (= 399 to 931 [Pa]).
ここで、各試料は、以下の方法によって評価された。 Here, each sample was evaluated by the following method.
<窒化層の結晶構造の同定>
前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線回折測定を行うことにより同定した。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。
<Identification of crystal structure of nitride layer>
The crystal structure of the nitride layer of the sample obtained by the above method was identified by performing X-ray diffraction measurement on the base material surface modified by nitriding treatment. The apparatus used was an X-ray diffractometer (XRD) manufactured by Mac Science. The measurement was performed under the conditions of a CuKα ray as a radiation source, a diffraction angle of 20 to 100 [°], and a scanning speed of 2 [° / min].
<窒化層の厚さの測定>
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。
<Measurement of nitride layer thickness>
The thickness of the nitride layer was measured by observing a cross section using an optical microscope or a scanning electron microscope.
<Feに対するCr原子比の測定及び極表面の窒素量及び酸素量の測定>
窒化層のFeに対するCr原子比の測定は、X線電子分光分析(XPS)により窒化層のFe濃度及びCr濃度を測定して求めた。また、窒化層極表面の窒素量及び酸素量をXPSを用いて測定し、測定結果より酸素量に対する窒素量の比O/Nを求めた。装置は、PHI社製 光電子分光分析装置Quantum-2000を用いた。測定は、線源としてMonochromated-Al-kα線(電圧1486.6[eV]、20.0[W])、光電子取り出し角度45[゜]、測定深さ約4[nm]、測定エリアφ200[μm]にてX線を試料に照射することにより行った。
<Measurement of Cr atomic ratio to Fe and measurement of nitrogen amount and oxygen amount on the surface>
The measurement of the Cr atomic ratio with respect to Fe of the nitrided layer was obtained by measuring the Fe concentration and Cr concentration of the nitrided layer by X-ray electron spectroscopy (XPS). Further, the amount of nitrogen and the amount of oxygen on the surface of the nitrided layer were measured using XPS, and the ratio O / N of the amount of nitrogen to the amount of oxygen was determined from the measurement results. The apparatus used was a photoelectron spectrometer Quantum-2000 manufactured by PHI. Measurement is performed using a Monochromated-Al-kα ray (voltage 1486.6 [eV], 20.0 [W]) as a radiation source, a photoelectron extraction angle of 45 [°], a measurement depth of about 4 [nm], and a measurement area φ200 [ The sample was irradiated with X-rays at [μm].
<窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量の測定>
窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量の測定は、走査型オージェ電子分光分析装置によって行った。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。
<Measurement of Nitrogen Content and Oxygen Content at 10 [nm] and 100 [nm] Depth from the Top Surface of Nitride Layer>
Measurements of nitrogen and oxygen at depths of 10 nm and 100 nm from the outermost surface of the nitride layer were performed using a scanning Auger electron spectrometer. The apparatus used was MODEL4300 manufactured by PHI. The measurement is performed under the conditions of an electron beam acceleration voltage of 5 [kV], a measurement area of 20 [μm] × 16 [μm], an ion gun acceleration voltage of 3 [kV], and a sputtering rate of 10 [nm / min] (SiO 2 conversion value). went.
<接触抵抗値の測定>
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。
<Measurement of contact resistance value>
The obtained sample was cut into a size of 30 [mm] × 30 [mm], and the contact resistance was measured. The apparatus used was TRS-2000SS, a pressure load contact electrical resistance measuring device manufactured by ULVAC-RIKO.
そして、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。 9A, a carbon paper 63 is interposed between the electrode 61 and the sample 62, and as shown in FIG. 9B, the electrode 61a / carbon paper 63a / sample 62 / carbon. The configuration is paper 63b / electrode 61b. Then, the electrical resistance when a current of 1 [A / cm 2 ] was passed at a measurement surface pressure of 1.0 [MPa] was measured twice, and an average value of each electrical resistance was obtained to obtain a contact resistance value. The carbon paper is a carbon paper coated with a platinum catalyst supported by carbon black (carbon paper TGP-H-090 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 0.26 [mm], bulk density 0.49 [g / cm 3 ], Porosity 73 [%] and thickness direction volume resistivity 0.07 [Ω · cm 2 ]) were used. As the electrode, a Cu electrode having a diameter of φ20 was used. This contact resistance measurement was performed twice before and after an electrolytic test described later.
<耐食性の評価>
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。
<Evaluation of corrosion resistance>
In the fuel cell, a potential of about 1 [Vvs SHE] is applied to the oxygen electrode side in comparison with the hydrogen electrode side. In addition, the solid polymer electrolyte membrane is a polymer electrolyte membrane having a proton exchange group such as a sulfonic acid group in the molecule, saturated with water and utilizing proton conductivity, and exhibits strong acidity. For this reason, the corrosion resistance is evaluated using a constant potential electrolysis test that is an electrochemical technique, and the amount of metal ions that dissolve in the solution after being held for a certain period of time with a predetermined constant potential applied by fluorescent X-ray analysis. The degree of reduction in corrosion resistance was evaluated from the value of the ion elution amount.
具体的には、各試料の中央部を大きさ30[mm]×30[mm]に切り出したサンプルをpH2の硫酸水溶液中で、温度80[℃]、電位1[VvsSHE]として100[時間]保持した。その後、硫酸水溶液中に溶け出したFe、Cr、Niのイオン溶出量を蛍光X線分析により測定した。 Specifically, a sample obtained by cutting out the central portion of each sample into a size of 30 [mm] × 30 [mm] in a sulfuric acid aqueous solution of pH 2 at a temperature of 80 [° C.] and a potential of 1 [V vs SHE] for 100 [hours] Retained. Thereafter, the elution amounts of Fe, Cr, and Ni dissolved in the sulfuric acid aqueous solution were measured by fluorescent X-ray analysis.
窒化層の結晶構造、窒化層の厚さ、窒化層の極表面の窒素量及び酸素量、酸素量に対する窒素量の比O/N、窒化層の最表面から10[nm]及び100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量、接触抵抗値及びイオン溶出量を表2に示す。
さらに、図10に、前記実施例1及び比較例1により得られた試料のX線解析パターンを示す。 Furthermore, the X-ray analysis pattern of the sample obtained by the said Example 1 and the comparative example 1 is shown in FIG.
比較例1では、基材であるオーステナイト由来のピークのみが明確に観測されたのに対し、実施例1では、図中γで示す基材であるオーステナイト由来のピークの他には、前記M4N型の結晶構造を示すS1〜S5のピークが観測された。ここで、Mは、Feを主体としており、Feの他にはCr、Ni、Moの合金を含む。なお、図10(a)に示す断面組織より窒化層の厚さを観測すると、実施例1においては表面に5[μm]程度の窒化層が形成されていた。このように、表面はM4N型の結晶構造をもつ窒化層に覆われているにもかかわらず、X線回折ピークは基材であるオーステナイト由来のピークも観測されている。これは、本測定条件によるX線の基材への入射深さが10[μm]程度であることから、基材を検出していると判断した。なお、実施例2〜実施例6では、実施例1と同様に基材であるオーステナイト由来のピークの他に前記M4N型の結晶構造のピークが観測された。 In Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite which is the base material was clearly observed, whereas in Example 1, in addition to the peak derived from the austenite which is the base material indicated by γ in the figure, the above M 4 S1-S5 peaks showing an N-type crystal structure were observed. Here, M is mainly composed of Fe, and includes an alloy of Cr, Ni, and Mo in addition to Fe. When the thickness of the nitride layer was observed from the cross-sectional structure shown in FIG. 10A, a nitride layer of about 5 [μm] was formed on the surface in Example 1. As described above, although the surface is covered with the nitride layer having the M 4 N type crystal structure, the X-ray diffraction peak is also derived from the austenite base material. This was determined that the base material was detected because the incident depth of X-rays on the base material under this measurement condition was about 10 [μm]. In Examples 2 to 6, the peak of the M 4 N type crystal structure was observed in addition to the peak derived from the austenite as the base material, as in Example 1.
また、比較例2及び比較例3では、比較例1と同様に窒化層が形成されていないため、基材であるオーステナイト由来のピークのみが観測された。また、比較例4では、CrNとγ’相を示すピークが観測された。なお、γ’相は、CrがNと結合してCrNなどのCr系窒化化合物を形成するために、基材のCr濃度が低下することによってFe原子が面心立方格子を作る。そして、γ’相はこの格子の単位胞中心の八面体空隙に窒素原子が侵入した結晶構造、すなわち八面体空隙の1/4に窒素原子が配置されたFe4N型の結晶構造であり、Feの他にCrやNiの合金を含まない。このように、処理温度が500[℃]を越えた場合には、NaCl型の結晶構造を有するCrNなどのCr系窒化化合物が形成することがわかった。 In Comparative Example 2 and Comparative Example 3, since no nitrided layer was formed as in Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite base material was observed. In Comparative Example 4, peaks indicating CrN and γ ′ phases were observed. In the γ ′ phase, Cr combines with N to form a Cr-based nitride compound such as CrN, so that Fe atoms form a face-centered cubic lattice by decreasing the Cr concentration of the base material. The γ ′ phase is a crystal structure in which nitrogen atoms have entered the octahedral voids at the center of the unit cell of this lattice, that is, a Fe 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in 1/4 of the octahedral voids, It contains no Cr or Ni alloy in addition to Fe. Thus, it has been found that when the processing temperature exceeds 500 [° C.], a Cr-based nitride compound such as CrN having a NaCl-type crystal structure is formed.
次に、実施例1で得られた試料の倍率400倍による断面組織写真を図11(a)に、比較例1で得られた試料の断面組織写真を図11(b)に示す。図11(a)では、基材71の両表面に窒化層72が形成されているが、図11(b)では、基材73の表面には窒化層などの改質層が形成されていないことがわかる。 Next, a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Example 1 at a magnification of 400 is shown in FIG. 11A, and a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. In FIG. 11A, nitride layers 72 are formed on both surfaces of the base material 71, but in FIG. 11B, a modified layer such as a nitride layer is not formed on the surface of the base material 73. I understand that.
また、表2に示すように、M4N型の結晶構造をもつ窒化層が形成された実施例1〜実施例6では、いずれも接触抵抗値が10.5[mΩ・cm2]以下であった。これに対し、窒化層が形成されていない比較例1〜比較例3、比較例5では著しく接触抵抗値は高かった。燃料電池では、単位セル当りの理論的な電圧は1.23[V]となるが、反応分極、ガス拡散分極、抵抗分極により実際に取り出せる電圧が降下し、取り出す電流が大きくなるほど電圧は降下する。また、自動車用用途では、単位体積・重量当りの出力密度を大きくしたいことから、定置用より高電流密度側、例えば、電流密度1[A/cm2]で使用される。電流密度が1[A/cm2]の時には、セパレータとカーボンペーパと間の接触抵抗が20[mΩ・cm2] 、つまり、図9(b)で示した測定法による測定値が40[mΩ・cm2] 以下であれば接触抵抗による効率低下がおさえられると考えられる。本実施例1〜実施例6では、いずれも接触抵抗値が40[mΩ・cm2] 以下であるため、単位セル当りの起電力が高く、起電力の高い燃料電池スタックを形成することが可能となる。 Further, as shown in Table 2, in Examples 1 to 6 in which a nitride layer having an M 4 N type crystal structure was formed, the contact resistance value was 10.5 [mΩ · cm 2 ] or less. there were. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 and Comparative Example 5 in which no nitride layer was formed, the contact resistance value was remarkably high. In a fuel cell, the theoretical voltage per unit cell is 1.23 [V], but the voltage that can be actually taken out decreases due to reaction polarization, gas diffusion polarization, and resistance polarization, and the voltage drops as the extracted current increases. . Further, in automotive applications, since it is desired to increase the output density per unit volume / weight, it is used at a higher current density side than stationary use, for example, at a current density of 1 [A / cm 2 ]. When the current density is 1 [A / cm 2 ], the contact resistance between the separator and the carbon paper is 20 [mΩ · cm 2 ], that is, the measured value by the measuring method shown in FIG. If it is less than cm 2 ], it is considered that the efficiency reduction due to contact resistance can be suppressed. In each of Examples 1 to 6, since the contact resistance value is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, it is possible to form a fuel cell stack with high electromotive force per unit cell and high electromotive force. It becomes.
次に、イオン溶出量を測定した結果により、窒化層の厚さが0.5〜5[μm]である実施例1〜実施例6ではいずれもイオン溶出量が低く、耐食性に優れていることがわかった。 Next, as a result of measuring the ion elution amount, the ion elution amount is low in each of Examples 1 to 6 in which the thickness of the nitrided layer is 0.5 to 5 [μm], and the corrosion resistance is excellent. I understood.
実施例と比較して、比較例1〜比較例3のようにオーステナイト系ステンレス鋼の表面を窒化処理しない場合には、基材表面に不動態膜が形成しているため接触抵抗が高い。また、不動態膜があるため、一般的にオーステナイト系ステンレス鋼は耐食性に優れているが、実施例1〜実施例6と比較すると劣ることがわかった。 Compared to the examples, when the surface of the austenitic stainless steel is not nitrided as in Comparative Examples 1 to 3, the contact resistance is high because a passive film is formed on the surface of the substrate. Further, since there is a passive film, austenitic stainless steel is generally excellent in corrosion resistance, but it was found to be inferior compared with Examples 1 to 6.
更に、比較例4〜比較例5のように窒化処理を施しても、窒化層が主としてNaCl型の結晶構造を有するCrNを含む場合には、窒化処理を施していない比較例1〜比較例3と比較すると接触抵抗は低くなるが、耐食性が劣る。 Further, even if the nitriding treatment is performed as in Comparative Examples 4 to 5, when the nitrided layer mainly includes CrN having a NaCl-type crystal structure, Comparative Examples 1 to 3 in which the nitriding treatment is not performed. Compared with, the contact resistance is low, but the corrosion resistance is inferior.
また、表2よりXPSにより測定した窒化層極表面の窒素量、酸素量を及び酸素量に対する窒素量の比O/Nをみてみると、窒化層の極表面の窒素量が10[at%]以上かつ酸素量が35[at%]以下であり、O/Nが3.5以下である実施例1〜6では、いずれも接触抵抗値が40[mΩ・cm2] 以下であった。これに対し、比較例1〜比較例3のようにオーステナイト系ステンレス鋼の表面を窒化処理しない場合には、基材表面に不動態膜が存在するため極表面の酸素量が多く、O/Nも非常に高い値であった。また、比較例4では主としてCrN等のCr系窒化物が析出するようになるために、接触抵抗も低く、O/Nも低い値であったが、イオン溶出量が多く耐食性が悪化する。 Further, from Table 2, the nitrogen amount on the surface of the nitrided layer measured by XPS, the amount of oxygen, and the ratio O / N of the amount of nitrogen to the amount of oxygen, the nitrogen amount on the surface of the nitrided layer is 10 [at%]. In Examples 1 to 6 in which the oxygen amount was 35 [at%] or less and the O / N was 3.5 or less, the contact resistance value was 40 [mΩ · cm 2 ] or less. On the other hand, when the surface of the austenitic stainless steel is not nitrided as in Comparative Examples 1 to 3, since there is a passive film on the surface of the substrate, the amount of oxygen on the extreme surface is large, and O / N Was also very high. Further, in Comparative Example 4, Cr-based nitride such as CrN mainly precipitates, so that the contact resistance is low and the O / N is also low, but the ion elution amount is large and the corrosion resistance is deteriorated.
次に、図12に実施例1により得られた試料の走査型オージェ電子分光分析による深さ方向の元素プロファイルを示す。 Next, FIG. 12 shows an element profile in the depth direction by scanning Auger electron spectroscopy analysis of the sample obtained in Example 1.
図12に示すように、窒化層の最表面では窒化処理中に若干の酸素分圧が存在するために酸化膜が存在し、その酸化膜の厚さを電子が自由に行き来できるため酸素量が一番高い。しかし、電子が自由に行き来できる範囲は最表面から3〜4[nm]の深さであるため、徐々に酸素量は低くなり窒素量が増えた。また、窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が18[at%]であり酸素量が22[at%]であった。そして、窒化層の最表面から100[nm]深さにおいて、窒素量が17[at%]であり酸素量が17[at%]であった。なお、スパッター深さ50[nm]あたりから、基材の成分であるFeの割合が高くなった。このときの接触抵抗値は3[mΩ・cm2]であり、イオン溶出量も低かった。このように、M4N型の結晶構造をもつ窒化層が形成された実施例1では、接触抵抗も耐食性も満足できた。 As shown in FIG. 12, an oxide film exists on the outermost surface of the nitride layer because there is a slight partial pressure of oxygen during the nitriding process, and electrons can freely move back and forth through the thickness of the oxide film. The highest. However, since the range in which electrons can freely travel is 3 to 4 [nm] from the outermost surface, the amount of oxygen gradually decreased and the amount of nitrogen increased. Further, at a depth of 10 nm from the outermost surface of the nitride layer, the nitrogen content was 18 [at%] and the oxygen content was 22 [at%]. The nitrogen content was 17 [at%] and the oxygen content was 17 [at%] at a depth of 100 [nm] from the outermost surface of the nitride layer. Note that the ratio of Fe, which is a component of the base material, increased from around the sputtering depth of 50 [nm]. The contact resistance value at this time was 3 [mΩ · cm 2 ], and the ion elution amount was also low. Thus, in Example 1 in which the nitride layer having the M 4 N type crystal structure was formed, the contact resistance and the corrosion resistance were satisfied.
同様に、接触抵抗値が40[mΩ・cm2]以下である実施例1〜6のいずれにおいても、窒化層の最表面から10[nm]深さにおいて、窒素量が18[at%]以上かつ酸素量が25[at%]以下であり、さらに、窒化層の最表面から100[nm]深さにおいて、窒素量が17[at%]以上かつ酸素量が18[at%]以下であった。これに対し、接触抵抗値が245以上である比較例1〜比較例3では、窒化層の最表面から10[nm]深さにおける窒素量及び酸素量が前記値からはずれており、さらには、窒化層の最表面から100[nm]深さにおける窒素量及び酸素量も前記値からはずれていた。なお、不動態膜が形成されていない比較例4〜比較例5では、前記値を満足していた。 Similarly, in any of Examples 1 to 6 having a contact resistance value of 40 [mΩ · cm 2 ] or less, the nitrogen amount is 18 [at%] or more at a depth of 10 nm from the outermost surface of the nitride layer. In addition, the oxygen amount is 25 [at%] or less, and further, at a depth of 100 [nm] from the outermost surface of the nitride layer, the nitrogen amount is 17 [at%] or more and the oxygen amount is 18 [at%] or less. It was. On the other hand, in Comparative Examples 1 to 3 in which the contact resistance value is 245 or more, the nitrogen amount and the oxygen amount at a depth of 10 [nm] from the outermost surface of the nitride layer are deviated from the above values. The amounts of nitrogen and oxygen at a depth of 100 [nm] from the outermost surface of the nitride layer also deviated from the above values. In Comparative Examples 4 to 5 in which no passive film was formed, the above values were satisfied.
以上の測定結果より、実施例1〜実施例6は、比較例1〜比較例5に対しいずれの実施例においても立方晶の結晶構造である、Fe、Cr、Ni、Moの群から選ばれる少なくとも一種以上の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することで接触抵抗値が40[mΩ・cm2]以下と低接触抵抗を示し、その上、イオン溶出量も少なく、耐食性に優れることから、低接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備える。 From the above measurement results, Examples 1 to 6 are selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo, which are the crystal structures of the cubic crystals in any of the Examples compared to Comparative Examples 1 to 5. A contact resistance value of 40 is obtained by forming a nitride layer having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids in the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed of at least one transition metal atom. It exhibits low contact resistance of [mΩ · cm 2 ] or less, and also has a low ion elution amount and excellent corrosion resistance, so it has both low contact resistance and corrosion resistance at the same time.
なお、本実施例においては、基材としてオーステナイト系ステンレス鋼を用いたが、これに限定されるものではなく、フェライト系もしくはマルテンサイト系ステンレス鋼を用いても、また、窒化処理としてプラズマ窒化処理を実施しているが、ガス窒化処理によっても同様の効果が得られる。 In this example, austenitic stainless steel was used as the base material, but the present invention is not limited to this. Even if ferritic or martensitic stainless steel is used, plasma nitriding treatment is also used as nitriding treatment. However, the same effect can be obtained by gas nitriding.
次に、図13(a)、(b)に、窒素量及び酸素量と接触抵抗値との関係を示す。 Next, FIGS. 13A and 13B show the relationship between the amount of nitrogen and oxygen and the contact resistance value.
図13(a)は、極表面の窒素量及び酸素量と接触抵抗値との関係を示している。図13(b)は、極表面の酸素量に対する窒素量の比O/Nと接触抵抗値との関係を示している。図13(a)に示すように、極表面において窒素量が多い(窒素濃度が高い)ほど接触抵抗値が低く、酸素量が低い(酸素濃度が低い)ほど接触抵抗値が低いことが明らかとなった。これは、前記したように、窒化層中の酸素量が多い場合には基材表面に絶縁性の酸化膜が形成されるため接触抵抗値が高く、基材表面に窒化層が形成されている場合には酸化膜の成長が抑制されるため接触抵抗値が低くなるためと考えられる。同様に、図13(b)に示すように、極表面の酸素量に対する窒素量の比O/N低いほど接触抵抗値が低いことが明らかとなった。 FIG. 13 (a) shows the relationship between the amount of nitrogen and oxygen on the pole surface and the contact resistance value. FIG. 13B shows the relationship between the ratio O / N of the nitrogen amount to the oxygen amount on the pole surface and the contact resistance value. As shown in FIG. 13 (a), it is clear that the contact resistance value is lower as the nitrogen amount is higher (the nitrogen concentration is higher) on the pole surface, and the contact resistance value is lower as the oxygen amount is lower (the oxygen concentration is lower). became. This is because, as described above, when the amount of oxygen in the nitride layer is large, an insulating oxide film is formed on the surface of the substrate, so that the contact resistance value is high, and the nitride layer is formed on the surface of the substrate. In this case, it is considered that the contact resistance value is lowered because the growth of the oxide film is suppressed. Similarly, as shown in FIG. 13B, it was revealed that the contact resistance value is lower as the ratio O / N of the nitrogen amount to the oxygen amount on the pole surface is lower.
以上の測定結果より、実施例1〜実施例6は比較例1〜比較例5に対しいずれの実施例においても、本実施形態による中間板92は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる基材から形成されて基層の直接上に形成された立方晶の結晶構造を有する窒化層を備えることにより、電解試験前の接触抵抗値が10[mΩ・cm2]以下と低接触抵抗を示し、電解試験後の接触抵抗値も低く抑え、低い接触抵抗と耐食性の両方を同時に兼ね備えることが判明した。 From the above measurement results, Examples 1 to 6 are different from Comparative Examples 1 to 5 in any example. The intermediate plate 92 according to this embodiment is a base material made of a transition metal or an alloy of transition metals. And having a cubic crystal structure formed directly on the base layer, the contact resistance value before the electrolysis test is 10 [mΩ · cm 2 ] or less and exhibits a low contact resistance. It was also found that the contact resistance value after the test was kept low, and both the low contact resistance and the corrosion resistance were simultaneously provided.
1 燃料電池スタック
3 燃料電池用セパレータ
14 窒化層
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
90 アノードプレート(アノードセパレータ)
91 カソードプレート(カソードセパレータ)
92 中間板
103 窒素層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 3 Fuel cell separator 14 Nitride layer 20 M 4 N type crystal structure 21 Transition metal atom 22 Nitrogen atom 90 Anode plate (anode separator)
91 Cathode plate (cathode separator)
92 Intermediate plate 103 Nitrogen layer
Claims (10)
前記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が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用中間板。 The nitride layer is obtained by nitriding the surface of a base material made of an alloy containing at least one transition metal element selected from the group consisting of Fe, Cr, Ni and Mo,
3. The fuel cell intermediate plate according to claim 1, wherein a nitride layer having a cubic crystal structure is formed in a depth direction from the surface of the base material. 4.
前記窒化層は、Fe、Cr、Ni及びMoの中から選択される少なくとも一種以上の遷移金属元素の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ことを特徴とする燃料電池用中間板の製造方法。 A method for producing an intermediate plate for a fuel cell, in which a nitride layer is formed on a surface layer of a base material by subjecting the base material made of a transition metal or a transition metal alloy to a plasma nitriding treatment at a temperature of 500 [° C.] or less. And
In the nitride layer, nitrogen atoms are arranged in octahedral voids in the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed of metal atoms of at least one transition metal element selected from Fe, Cr, Ni, and Mo. A method for producing an intermediate plate for a fuel cell, characterized by having an M 4 N type crystal structure.
The intermediate for a fuel cell according to claim 9, wherein the plasma nitriding treatment is performed by applying a negative bias voltage to the substrate in a low-temperature non-equilibrium plasma in which nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. A manufacturing method of a board.
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