JP2007073429A - Method of manufacturing fuel cell stack and conductive porous member for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池スタック及び燃料電池用導電性多孔質部材の製造方法に関し、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ガス拡散層となる導電性多孔質部材に関する。 The present invention relates to a fuel cell stack and a method for producing a conductive porous member for a fuel cell, and more particularly to a conductive porous member serving as a solid polymer electrolyte type gas diffusion layer 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16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16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。 FIG. 16 is a cross-sectional view showing a configuration of a single cell forming the fuel cell stack. As shown in FIG. 16, 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.
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.
ここで、ガス拡散層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、かつセパレータ等の構成材料との接触抵抗が低いことが要求される。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、ガス拡散層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、ガス拡散層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。 Here, since the gas diffusion layer has a function of electrically connecting the single cells, the gas diffusion layer is required to have good electrical conductivity and low contact resistance with a constituent material such as a separator. 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 gas diffusion layer is required to have corrosion resistance that can withstand in a strongly acidic atmosphere. In addition, the corrosion resistance required here means the durability which can maintain an electrical-conduction performance also in the oxidation environment where a gas diffusion layer is a strong acid. 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.
ここで、従来のガス拡散層には、多孔質金属やパンチングメタル等を用いて形成する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記従来のガス拡散層では、多孔質金属やパンチングメタル等を用いているため、強酸性雰囲気下で耐え得る耐食性が十分といえないおそれがあった。 However, since the conventional gas diffusion layer uses a porous metal, a punching metal, or the like, there is a possibility that the corrosion resistance that can be endured in a strongly acidic atmosphere may not be sufficient.
そこで、本発明は、高い耐食性を有するガス拡散層を有する燃料電池スタック、及びガス拡散層となる燃料電池用導電性多孔質部材の製造方法を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method of the fuel cell stack which has a gas diffusion layer which has high corrosion resistance, and the conductive porous member for fuel cells used as a gas diffusion layer.
本発明に係る燃料電池用スタックは、前記課題を解決するためになされたものであり、電解質膜の両面に触媒層を介して、ガス拡散層となる導電性多孔質部材を設けた膜電極接合体と、該膜電極接合体に当接した状態で配設された燃料電池セパレータとを備え、前記導電性多孔質部材は、金属からなる基材の少なくとも外表面から一定深さの多孔質内部にまで窒化層を形成してなることを特徴とする。 The fuel cell stack according to the present invention is made to solve the above-mentioned problems, and is a membrane electrode joint in which a conductive porous member serving as a gas diffusion layer is provided on both surfaces of an electrolyte membrane via a catalyst layer. And a fuel cell separator disposed in contact with the membrane electrode assembly, wherein the conductive porous member has a porous interior at a certain depth from at least an outer surface of a metal substrate. It is characterized in that a nitride layer is formed as far as possible.
また、本発明に係る燃料電池用導電性多孔質部材の製造方法は、遷移金属又は遷移金属の合金からなる多孔質基材に500[℃]以下の温度でプラズマ窒化処理を施すことにより、窒化層を基材の少なくとも外表面から一定深さの多孔質内部にまで形成する窒化層形成工程を有する燃料電池用導電性多孔質部材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ことを特徴とする。 The method for producing a conductive porous member for a fuel cell according to the present invention includes nitriding by subjecting a porous base material made of a transition metal or a transition metal alloy to a plasma nitriding treatment at a temperature of 500 ° C. or lower. A method for producing a conductive porous member for a fuel cell comprising a nitride layer forming step of forming a layer from at least an outer surface of a base material into a porous interior of a certain depth, wherein the nitride layer comprises Fe, Cr, It has an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by transition metal atoms selected from Ni and Mo.
本発明に係る燃料電池用スタックによれば、セパレータ及び触媒層との間で発生する接触抵抗が低く、耐食性に優れており、かつコストの低いガス拡散層(導電性多孔質部材)を有する燃料電池スタックが得られる。 According to the fuel cell stack of the present invention, a fuel having a gas diffusion layer (conductive porous member) having low contact resistance between the separator and the catalyst layer, excellent corrosion resistance, and low cost. A battery stack is obtained.
また、本発明に係る燃料電池用導電性多孔質部材の製造方法によれば、高性能のガス拡散層(導電性多孔質部材)の製造が容易になる。 In addition, according to the method for manufacturing a conductive porous member for a fuel cell according to the present invention, a high-performance gas diffusion layer (conductive porous member) can be easily manufactured.
以下、本発明の実施の形態に係る燃料電池スタック及び燃料電池用導電性多孔質部材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, a fuel cell stack and a method for producing a conductive porous member 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.
(ガス拡散層となる導電性多孔質部材、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導電性多孔質部材を用いて構成した燃料電池スタックの外観を示す斜視図である。図2は、図1の分解斜視図である。
(Conductive porous member that serves as gas diffusion layer and fuel cell stack)
FIG. 1 is a perspective view showing an external appearance of a fuel cell stack configured using a conductive porous member according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an exploded perspective view of 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90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。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90とし、膜電極接合体90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。 As shown in FIG. 2, the fuel cell stack 1 is configured by alternately laminating a plurality of membrane electrode assemblies 90 and fuel cell separators 3 serving as basic units for generating power by electrochemical reaction. Each single cell 2 forms a membrane electrode assembly 90 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, respectively. 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.
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90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 the polymer electrolyte membrane, for example, a fluorine resin membrane having a sulfonic acid group can be used. After the membrane electrode assembly 90 and the fuel cell separator 3 are stacked, the end flange 4 is disposed at both ends, and the outer peripheral portion is fastened by the fastening bolts 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膜電極接合体とセパレータとを示す断面図である。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing a membrane electrode assembly and a separator according to an embodiment of the present invention.
膜電極接合体90は、電解質膜91と、該電解質膜91の両面に触媒層92を介して配設したガス拡散層となる導電性多孔質部材93とを備えている。また、膜電極接合体90の両面には、導電性多孔質部材93に当接した状態でセパレータ3が配設されている。 The membrane electrode assembly 90 includes an electrolyte membrane 91 and a conductive porous member 93 serving as a gas diffusion layer disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 91 via a catalyst layer 92. The separators 3 are disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly 90 in contact with the conductive porous member 93.
図4は本発明の実施の形態に係る導電性多孔質部材を示す斜視図、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 showing a conductive porous member according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is an enlarged sectional view taken along line AA of FIG.
ガス拡散層となる導電性多孔質部材93は、矩形状の金属製板材であり、図5(a)に示すように、導電性多孔質部材の全体に、即ち、導電性多孔質部材における表層と内部細孔内表面とに窒化層95を形成している。通常、多孔質部材は100〜300μm程度の厚みを有する高気孔率材であるため、多孔質部材内部の耐食性を考えると多孔質基材全体の窒化が好ましい。しかしながら、基材そのものの材質、気孔率及び細孔径の仕様によって内部まで窒化することが難しい場合には、部分的な窒化処理でもよい。すなわち、図5(b)に示す例では、導電性多孔質部材93は、基層96の表面及び裏面に窒化層95を形成している。これらの窒化層95は、図5(b)に示す例では両面に形成しているが、表面のみ、裏面のみ、又は、表面と裏面の双方に設けても良い。また、窒化層95は、例えば、後述するプラズマ処理によって形成することができる。 The conductive porous member 93 to be the gas diffusion layer is a rectangular metal plate material, and as shown in FIG. 5A, the entire conductive porous member, that is, the surface layer in the conductive porous member. Nitride layer 95 is formed on the inner surfaces of the inner pores. Usually, since the porous member is a high-porosity material having a thickness of about 100 to 300 μm, nitriding of the entire porous substrate is preferable in view of the corrosion resistance inside the porous member. However, when nitriding to the inside is difficult due to the specifications of the material of the substrate itself, the porosity and the pore diameter, partial nitriding treatment may be used. That is, in the example shown in FIG. 5B, the conductive porous member 93 has a nitride layer 95 formed on the front surface and the back surface of the base layer 96. These nitride layers 95 are formed on both surfaces in the example shown in FIG. 5B, but may be provided only on the front surface, only the back surface, or both the front and back surfaces. Further, the nitride layer 95 can be formed by, for example, a plasma process described later.
図6は、本発明の別の実施形態に係る導電性多孔質部材の拡大断面図である。 FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a conductive porous member according to another embodiment of the present invention.
また、図6に示すように、導電性多孔質部材93の窒化層95の表面及び裏面の少なくともいずれかに貴金属層97を形成することが好ましい。この貴金属としては、Au、Ag、Pt、Rd、Rd、Pd、Os、Irのうちの少なくとも1つを用いることが好ましく、最もAuが好ましい。前記貴金属層97は、電気メッキやクラッド加工等によって形成することができる。 Further, as shown in FIG. 6, it is preferable to form a noble metal layer 97 on at least one of the front surface and the back surface of the nitride layer 95 of the conductive porous member 93. As this noble metal, it is preferable to use at least one of Au, Ag, Pt, Rd, Rd, Pd, Os, and Ir, and Au is most preferable. The noble metal layer 97 can be formed by electroplating or cladding.
また、導電性多孔質部材93としては、ステンレス鋼、繊維状の金属素材を圧縮成形した金属基材を用いることが好ましい。 Further, as the conductive porous member 93, it is preferable to use a metal base material formed by compression molding a stainless steel or a fibrous metal material.
本実施形態では、ガス拡散層となる導電性多孔質部材93に窒化層95を形成しているため、導電性を保持しつつ、耐食性を向上させることができる。また、本実施形態では、金属製基材を用いているため、従来のカーボン拡散層に比較して、機械的強度や導電性の向上を図ることができる。 In the present embodiment, since the nitride layer 95 is formed on the conductive porous member 93 serving as the gas diffusion layer, the corrosion resistance can be improved while maintaining the conductivity. Moreover, in this embodiment, since the metal base material is used, mechanical strength and electroconductivity can be improved compared with the conventional carbon diffusion layer.
また、本実施形態に係る導電性多孔質部材93には、貴金属層97を形成しているため、耐食性を保持しつつ、触媒層92やセパレータ3との接触抵抗を低減することができる。 Further, since the noble metal layer 97 is formed on the conductive porous member 93 according to the present embodiment, the contact resistance with the catalyst layer 92 and the separator 3 can be reduced while maintaining the corrosion resistance.
さらに、導電性多孔質部材93として、繊維状の金属素材を圧縮成形した金属基材を用いることにより、多孔質に形成された基材の表面に均一に窒化処理を施すことができる。 Furthermore, by using a metal base material obtained by compression-molding a fibrous metal material as the conductive porous member 93, the surface of the porous base material can be uniformly nitrided.
図7は、本発明の更に別の実施形態に係る導電性多孔質部材93の拡大断面図である。 FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a conductive porous member 93 according to still another embodiment of the present invention.
この導電性多孔質部材93は、多孔質体である焼結金属から構成されており、気孔率が高く、表面及び裏面に窒化層95が形成されている。即ち、焼結金属からなる基層98と窒化層95とを備えている。この窒化層95も、例えば、後述するプラズマ処理によって形成することができる。さらに、窒化層95の上に貴金属層97を設けることが好ましい。 The conductive porous member 93 is made of a sintered metal that is a porous body, has a high porosity, and has a nitride layer 95 formed on the front and back surfaces. That is, a base layer 98 and a nitride layer 95 made of sintered metal are provided. The nitride layer 95 can also be formed, for example, by plasma processing described later. Further, a noble metal layer 97 is preferably provided on the nitride layer 95.
この導電性多孔質部材93によれば、焼結金属から構成されているため、スタックの圧縮に対する変形を抑制しつつ、必要な気孔率を確保することができる。従って、気孔が多いため、セパレータ2に流路を形成しなくても良い。この場合、セルピッチを短く設定することができ、体積効率を高く保持することができる。 Since the conductive porous member 93 is made of sintered metal, the required porosity can be ensured while suppressing deformation of the stack against compression. Therefore, since there are many pores, it is not necessary to form a flow path in the separator 2. In this case, the cell pitch can be set short and the volumetric efficiency can be kept high.
また、焼結金属体自体を窒化処理することにより、導電性多孔質部材93の全体の耐食性を向上させることができる。 Further, the overall corrosion resistance of the conductive porous member 93 can be improved by nitriding the sintered metal body itself.
さらに、本実施形態による導電性多孔質部材93では、遷移金属又は遷移金属の合金を基材として用いており、基材表面から深さ方向に立方晶の結晶構造を有する窒化層95を設けている構成としたため、窒化層95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導電性多孔質部材93を得ることができる。また、立方晶の結晶構造を有する窒化層95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、燃料電池用セパレータ3と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導電性多孔質部材93が得られる。 Furthermore, in the conductive porous member 93 according to the present embodiment, a transition metal or an alloy of transition metal is used as a base material, and a nitride layer 95 having a cubic crystal structure is provided in the depth direction from the base material surface. Since the transition metal atom in the nitride layer 95 forms a highly covalent bond with the nitrogen atom in addition to the formation of a metal bond between the metal atoms, The conductive porous member 93 having excellent conductivity can be obtained. Further, the nitride layer 95 having a cubic crystal structure is chemically stable even in a strongly acidic atmosphere of pH 2 to 3 that is normally used as a fuel cell, and therefore has excellent corrosion resistance. Therefore, it is possible to obtain the conductive porous member 93 that keeps the contact resistance with the fuel cell separator 3 low and continuously exhibits good electrical conductivity even in a strongly acidic atmosphere.
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.
M4N型の結晶構造を図8に示す。 The crystal structure of the M 4 N type is shown in FIG.
図8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. 8, 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95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. In this way, nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids in the center of the unit cell of the face-centered cubic lattice in which the nitride layer 95 is formed of at least one or more transition metal atoms selected from the group of Fe, Cr, Ni, and Mo. In addition, in the case of having an M 4 N type crystal structure, it becomes possible to further improve the corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere having a pH of 2 to 3.
なお、窒化層95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95の厚さが0.5[μm]を下回る場合には、窒化層95と基材との間に亀裂が発生したり、窒化層95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95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95の厚さが5[μm]を上回る場合には、窒化層95の厚さの増大とともに窒化層95内の応力が過大になって窒化層95に亀裂が発生し、燃料電池用セパレータ3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。 The thickness of the nitride layer 95 is preferably formed in the range of 0.5 to 5 [μm] on the surface of the base material. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent. When the thickness of the nitride layer 95 is less than 0.5 [μm], a crack occurs between the nitride layer 95 and the base material, or the adhesion strength between the nitride layer 95 and the base material is insufficient. Accordingly, when used for a long time, the nitrided layer 95 is easily peeled 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 95 exceeds 5 [μm], the stress in the nitride layer 95 becomes excessive as the thickness of the nitride layer 95 increases, and the nitride layer 95 cracks, and the fuel cell It becomes easy for pitting corrosion to occur in the separator 3 for use, and it becomes difficult to contribute to improvement of corrosion resistance.
さらに、窒化層95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95の極表面とは、窒化層95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95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95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95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導電性多孔質部材93を得ることができる。 Furthermore, it is preferable that the amount of nitrogen on the pole surface of the nitride layer 95 is 10 [at%] or more and the amount of oxygen is 35 [at%] or less. Here, the extreme surface of the nitride layer 95 refers to an atomic layer having a depth of 3 to 4 nm from the outermost surface of the nitride layer 95, that is, a depth of several tens of atoms. The outermost surface refers to the outermost atomic layer of the nitride layer 95. 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 95 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 95 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 can be suppressed. It is possible to reduce the contact resistance between the conductive porous member 93 and the conductive porous member 93 having excellent corrosion resistance in a strongly acidic atmosphere.
また、窒化層95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3との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 95, 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]. %] Or more and the oxygen amount is more preferably 22 [at%] or less. In this case, the corrosion resistance in a strong acid atmosphere is excellent. In addition, when it remove | deviates from this range, the contact resistance generate | occur | produced between the separators 3 becomes high, and the contact resistance value per single cell which comprises a fuel cell stack exceeds 40 [mohm * cm < 2 >], There is a problem that power generation performance deteriorates.
さらに、窒化層95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95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 95. In this case, if the transition metal atom forms a compound with the nitrogen atom in a state where the chemical potential of the nitrogen atom in the nitride layer 95 is increased and the activity of the transition metal atom is further reduced, the freedom of the transition metal atom is reduced. The energy is lowered, the reactivity of the transition metal atom to the 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導電性多孔質部材93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導電性多孔質部材93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導電性多孔質部材93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 conductive porous member 93 according to the embodiment of the present invention is excellent in corrosion resistance. In addition, it is possible to obtain the conductive porous member 93 that has low cost and good productivity, low contact resistance with adjacent constituent materials, and good power generation performance of the fuel cell. In addition, 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 conductive porous member 93 according to the embodiment of the present invention. And cost reduction can be realized.
(導電性多孔質部材の製造方法)
次に、本発明の実施の形態に係る導電性多孔質部材の製造方法について説明する。この導電性多孔質部材93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[℃]以下の温度で窒化処理を施す窒化工程により、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95を形成する工程と、前記導電性多孔質部材93の窒化層95における表面側及び裏面側のうち、少なくともいずれか一方に貴金属層97を形成する貴金属層形成工程とを有することを特徴とする。
(Method for producing conductive porous member)
Next, a method for manufacturing a conductive porous member according to an embodiment of the present invention will be described. The conductive porous member 93 is manufactured from Fe, Cr, Ni, and Mo by a nitriding step in which a base material made of a transition metal or a transition metal alloy is subjected to nitriding at a temperature of 500 [° C.] or less. Forming a nitride layer 95 having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed by selected transition metal atoms; A noble metal layer forming step of forming a noble metal layer 97 on at least one of the front surface side and the back surface side of the nitride layer 95 of the porous member 93.
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セパレータ3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95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セパレータの耐食性が向上する。また、セパレータ3と隣接するガス拡散電極等の構成材料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セパレータ3を低コストにより得ることができる。 When the surface of stainless steel is subjected to nitriding treatment at a high temperature, nitrogen is combined with Cr in the base material, and nitride such as CrN having a crystal structure of NaCl type is mainly precipitated, so that the corrosion resistance of the fuel cell separator 3 is lowered. To do. 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 in the nitride layer 95, the corrosion resistance of the fuel cell separator is improved by performing nitriding at a low temperature of 500 [° C.] or lower. Further, the contact resistance between the separator 3 and the adjacent constituent material such as the gas diffusion electrode can be kept low, the power generation efficiency of the fuel cell can be maintained, and the fuel cell separator 3 having excellent durability and reliability can be obtained at low cost. Obtainable.
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95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 the nitrided layer 95 having this crystal structure, so that the productivity is deteriorated. 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95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. In the gas soft nitriding method, the oxygen partial pressure during nitriding is high, so that the amount of oxygen in the nitride layer 95 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導電性多孔質部材の製造方法に用いる窒化装置の構成を図9に基づいて説明する。図9は、本実施形態の導電性多孔質部材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 structure of the nitriding apparatus used for the manufacturing method of the electroconductive porous member which concerns on embodiment of this invention is demonstrated based on FIG. FIG. 9 is a schematic side view showing the configuration of the nitriding apparatus used in the method for manufacturing the conductive porous member of the present embodiment.
図9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には導電性多孔質部材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. 9, the nitriding apparatus 30 includes a batch-type nitriding furnace 31, a gas supply apparatus 32 that supplies 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 a conductive porous member 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、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、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 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 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95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95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95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 95 is not formed when the processing time is less than 1 [min], and conversely, the manufacturing cost increases when the processing time exceeds 60 [min]. Because. Furthermore, the reason why the gas mixture ratio is defined within this range is that the nitride layer 95 cannot be formed if the nitrogen ratio in the gas decreases, and conversely, if the nitrogen ratio increases, it acts as a reducing agent. This is because the amount of hydrogen decreases and the substrate surface is oxidized. By performing plasma nitriding under such processing conditions, a nitride layer 95 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導電性多孔質部材93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導電性多孔質部材93を製造することが可能となる。 Thus, according to the method for manufacturing the conductive porous member 93 according to the embodiment of the present invention, a low resistance value in an oxidizing environment is maintained, corrosion resistance is excellent, and low by a simple operation. It becomes possible to manufacture the conductive porous member 93 that realizes cost reduction.
(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10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る。図10(a)は燃料電池電気自動車50の側面図、図7(b)は燃料電池電気自動車50の平面図である。 FIG. 10 is a diagram showing the appearance of a fuel cell electric vehicle equipped with a fuel cell stack. FIG. 10A is a side view of the fuel cell electric vehicle 50, and FIG. 7B is a plan view of the fuel cell electric vehicle 50.
図10(b)に示すように、車体51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10(a)及び(b)に示す燃料電池電気自動車70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. 10 (b), 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 that connects the left and right hood ridges including the front side member to each other is combined and welded. The engine compartment portion 52 is formed. In the fuel cell electric vehicle 70 shown in FIGS. 10A and 10B, the fuel cell stack 1 is mounted in the engine compartment portion 52.
本発明の実施の形態に係る導電性多孔質部材93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 conductive porous member 93 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 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導電性多孔質部材93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、本発明に係る導電性多孔質部材93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 conductive porous member 93 according to the embodiment of the present invention will be described. In these examples, the effectiveness of the conductive porous member 93 according to the present invention was examined, and 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95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 95 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95の厚さの測定>
窒化層95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 the thickness of the nitride layer 95>
The thickness of the nitride layer 95 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95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95のFe濃度及びCr濃度を測定して求めた。また、窒化層95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 nitride layer 95 was obtained by measuring the Fe concentration and the Cr concentration of the nitride layer 95 by X-ray electron spectroscopy (XPS). Further, the amount of nitrogen and the amount of oxygen on the surface of the nitride layer 95 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95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>
The nitrogen amount and the oxygen amount at the depth of 10 nm and 100 nm from the outermost surface of the nitride layer 95 were measured by 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。そして、図11(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11(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。
<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. 11A, a carbon paper 63 is interposed between the electrode 61 and the sample 62, and as shown in FIG. 11B, 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91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91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. The solid polymer electrolyte membrane 91 uses proton conductivity by saturating the polymer electrolyte membrane 91 having a proton exchange group such as a sulfonic acid group in the molecule, 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95の結晶構造、窒化層95の厚さ、窒化層95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95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12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95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95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95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 95 was observed from the cross-sectional structure shown in FIG. 10A, the nitride layer 95 of about 5 [μm] was formed on the surface in Example 1. Thus, although the surface is covered with the nitride layer 95 having the M 4 N type crystal structure, the peak derived from the austenite which is the base material is also observed as the X-ray diffraction peak. 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95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 the nitrided layer 95 was not formed as in Comparative Example 1, only the peak derived from the austenite that was the 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13(a)に、比較例1で得られた試料の断面組織写真を図13(b)に示す。 Next, a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Example 1 at a magnification of 400 is shown in FIG. 13 (a), and a cross-sectional structure photograph of the sample obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. 13 (b).
図13(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13(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。 In FIG. 13A, nitride layers 72 are formed on both surfaces of the substrate 71, but in FIG. 13B, a modified layer such as a nitride layer is not formed on the surface of the substrate 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3とカーボンペーパと間の接触抵抗が20[mΩ・cm2] 、つまり、図11(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 3 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 mΩ · 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95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, all of Examples 1 to 6 in which the thickness of the nitrided layer 95 is 0.5 to 5 [μm] have a low ion elution amount and excellent corrosion resistance. I understood it.
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95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 95 mainly includes CrN having a NaCl-type crystal structure, the nitriding treatment is not performed. Compared with 3, 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95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95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, when the nitrogen amount on the surface of the nitrided layer 95 measured by XPS, the amount of oxygen, and the ratio of the amount of nitrogen to the amount of oxygen O / N are examined, the amount of nitrogen on the surface of the nitrided layer 95 is 10 [at %] And the amount of oxygen was 35 [at%] or less, and in each of Examples 1 to 6 where 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14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. 14 shows an element profile in the depth direction of the sample obtained in Example 1 by scanning Auger electron spectroscopy analysis.
図14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. 14, 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. 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95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95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95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 in which the contact resistance value is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, the nitrogen amount is 18 [at%] at a depth of 10 [nm] from the outermost surface of the nitride layer 95. 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 95, the nitrogen amount is 17 [at%] or more and the oxygen amount is 18 [at%] or less. Met. 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 95 deviate 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95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 is obtained by forming the nitride layer 95 having an M 4 N type crystal structure in which nitrogen atoms are arranged in the octahedral voids at the center of a unit cell of a face-centered cubic lattice formed of at least one transition metal atom. The low contact resistance is 40 [mΩ · cm 2 ] or less, and the ion elution amount is small and the corrosion resistance is excellent. Therefore, both low contact resistance and corrosion resistance are simultaneously provided.
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15(a)、(b)に、窒素量及び酸素量と接触抵抗値との関係を示す。図15(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15(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15(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95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95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15(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。 Next, FIGS. 15A and 15B show the relationship between the amount of nitrogen and oxygen and the contact resistance value. FIG. 15A shows the relationship between the amount of nitrogen and oxygen on the pole surface and the contact resistance value. FIG. 15B 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. 15 (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 95 is large, an insulating oxide film is formed on the substrate surface, so that the contact resistance value is high, and the nitride layer 95 is formed on the substrate surface. 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. 15 (b), it was revealed that the contact resistance value was lower as the ratio of the nitrogen amount to the oxygen amount on the pole surface was 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、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た基層と、この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95と、を備えることで、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導電性多孔質部材93が得られた。 From the above measurement results, Examples 1 to 6 were compared to Comparative Examples 1 to 5 in any example, and the base layer formed from a base material made of a transition metal or an alloy of transition metals, and this base layer And a nitride layer 95 having a cubic crystal structure formed directly on the surface of the substrate, the contact resistance value before the electrolysis test is as low as 10 [mΩ · cm 2 ] or less, and after the electrolysis test The conductive porous member 93 having both low contact resistance and corrosion resistance at the same time was obtained.
1 燃料電池スタック
3 燃料電池用セパレータ
20 M4N型結晶構造
21 遷移金属原子
22 窒素原子
90 膜電極接合体
91 電解質膜
92 触媒層
93 導線性多孔質部材
95 窒化層
97 貴金属層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell stack 3 Fuel cell separator 20 M 4 N type crystal structure 21 Transition metal atom 22 Nitrogen atom 90 Membrane electrode assembly 91 Electrolyte membrane 92 Catalyst layer 93 Conductive porous member 95 Nitride layer 97 Noble metal layer
Claims (12)
前記導電性多孔質部材は、金属からなる基材の少なくとも外表面から一定深さの多孔質内部にまで窒化層を形成してなることを特徴とする燃料電池用スタック。 A membrane electrode assembly in which a conductive porous member is provided on both sides of the electrolyte membrane via a catalyst layer, and a fuel cell separator disposed in contact with the membrane electrode assembly,
A stack for a fuel cell, wherein the conductive porous member is formed by forming a nitride layer from at least an outer surface of a base material made of metal to a porous interior at a certain depth.
前記窒化層は、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ことを特徴とする燃料電池用導電性多孔質部材の製造方法。 A nitrided layer is formed from at least the outer surface of the substrate to the porous interior at a certain depth by subjecting the porous substrate made of transition metal or transition metal alloy to plasma nitriding treatment at a temperature of 500 [° C.] or lower. A method for producing a conductive porous member for a fuel cell comprising a nitride layer forming step comprising:
The nitride layer is an M 4 N-type crystal 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. A method for producing a conductive porous member for a fuel cell, characterized by having a structure.
12. The fuel cell according to claim 10, wherein the plasma nitriding treatment is performed by applying a negative bias voltage to the base material in a low-temperature non-equilibrium plasma in which nitrogen gas and hydrogen gas are discharged. For producing a conductive porous member for use.
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